KR20010015576A - 고정밀도 3차원 표면 디지털화 시스템 및 방법 - Google Patents

고정밀도 3차원 표면 디지털화 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20010015576A
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Abstract

본 발명에 따른 거리 측정 장치(10)는 변조된 광 빔을 타겟에 전송하고, 그에 따라 수신 빔을 생성하기 위해 광원(14) 및 변조기(18)를 포함한다. 보정부(40)광원과 타겟 사이에서 보정 타겟(42)을 배치하고 전송 빔을 차단하여 수신 보정 빔을 발생시킴으로써 시스템을 주기적으로 보정한다. 타겟 센서(30)는 반사된 타겟을 수신하고, 반사된 타겟 빔을 나타내는 타겟 신호(32)를 제공한다. 기준 센서(36)는 광원(14)으로부터 광을 수신하고, 기준 신호(38)을 처리 회로(34)에 제공한다. 처리 회로는 타겟 신호(2) 및 기준 신호(38)를 수신하고, 타겟 신호(32)와 기준 신호(38) 사이가 제로 위상차가 될 때까지 전송 빔의 주파수를 조정하고, 제로 위상차를 발생시키는 주파수에 기초하여 타겟까지의 거리를 계산한다.

Description

고정밀도 3차원 표면 디지털화 시스템 및 방법{HIGHLY ACCURATE THREE-DIMENSIONAL SURFACE DIGITIZING SYSTEM AND METHODS}
3차원 대상물 디지털화는 많은 어플리케이션을 갖는다. 자동차 및 항공기 디자이너는 이러한 기술을 사용하여 원형을 컴퓨터 모델 데이터로 변환한다. 그런 다음 이 데이터는 디자인에 관하여 정확한 원형을 결정하는데 사용되어, 제조시 품질 제어를 확실하게 하는 등을 한다.
3차원 디지타이저(digitizer)는 접점 시스템 및 비접점 시스템의 2개의 카테고리로 분류된다. 대부분의 접점 시스템은 수동으로 작동하는 프로브 또는 자동 좌표 측정 머신(CMMs)을 채용한다. 이들 접점 시스템은 한번에 데이터를 하나의 포인트로 수집한다. 명백하게, 접점 시스템은 자동차 또는 항공기와 같은 대형 모델링 프로젝트에 대해 실질적이지 않고 비경제적이다.
비접점 시스템은 광학 기술, 예컨대 레이저, 무아레(moire) 간섭 측정법 및 패턴화된 광을 채용하여 데이터를 획득한다. 레이저 디지타이저는 대상물의 표면 상에 광의 작은 스폿 또는 가는 선(작은 스폿(spot)을 조명하는 것보다 100배 이상 더 빠름)을 조명한다. 삼각 측량(triangulation)으로 알려진 기술은 3차원 공간에서 포인트의 위치를 결정하는데 사용된다. 무아레 간섭 측정법 또는 패턴화된 광에 기초한 시스템은 50,000∼100,000 포인트로 구성된 데이터의 세트를 신속하게 캡쳐할 수 있다.
이러한 모든 시스템이 3차원 디지털화를 위한 모든 후보에 적합한 것은 아니다. 대상물의 컬러 및 표면 마무리, 대상물의 인사이드 코너, 아웃사이드 코너 및 에지의 형상, 대상물에 있는 함몰 부분 및 대상물이 무생물이거나 또는 살아 있는(예컨대, 사람) 경우 등의 모든 요인을 포함하여, 디지털화의 품질에 영향을 미칠 수 있는 많은 요인들이 존재한다.
디지타이저의 이용은 데이터의 발생 및 수집 및 데이터의 연속적인 처리를 요구한다. 수집된 데이터(좌표 포인트의 형태)는 잠재적으로 수백만 데이터 비트 때문에 데이터 클라우드(data cloud) 또는 데이터 익스플로전(data explosion)으로 불리는 것을 생성한다. 데이터 클라우드는 데이터 발생 디바이스에서의 고유의 한계 때문에 스캔 및 디지털화되는 대상물의 표면 토폴로지에 대한 어떤 감도 없이 임의적으로 발생된다. 데이터 클라우드는 컴퓨터 파일, 즉 전형적으로 대용량이고 불편한 컴퓨터 파일로 수집되고 있다.
이 때, 데이터 클라우드는 어떤 실제적인 값을 나타내지 않는다. 따라서, 사용자는 데이터 클라우드를 스캔된 대상물의 표면 및 특징을 나타내는 의미 있는 파일 포맷으로 변환하기 위해 엄격하고 시간이 소요되는 작업을 수행할 필요가 있다. 데이터 클라우드를 처리하는데 있어서, 사용자는 데이터 클라우드로부터 표면 특징을 추출하는데(예컨대, 에지, 함몰 부분, 원형인 부분 등), 이러한 추출은 스케일링, 미러 이미징, 공구 경로 발생, 유한 요소법, 변성 이행, 광 특수 효과 등을 포함하는 데이터 조작을 용이하게 한다. 이러한 조작 및 데이터 클라우드로부터의 표면 특징의 추출은 산업의 기술적인 장애 중 하나이며, 개선을 위해 많은 시간 및 노력이 집중되어 왔다.
종래의 대부분의 디지타이저는 삼각 측량(triangulation)으로 알려진 기술의 하나의 형태 또는 다른 형태를 통해 데이터를 발생시키고 수집한다. 도 14를 참조하면, 삼각 측량은 피타고라스의 정리에 기초를 둔 기술이다. 우측 삼각형은 레이저와 센서간의 보정 거리 A, 전송 레이저 빔 B 및 수신된 빔 C에 의해 규정된다. 삼각 측량 기술은 많은 단점을 갖고 있다. 수신된 빔 C가 차단된다면 데이터에 예컨대, "새도우"가 발생될 수 있다. 또한, 정밀한 측정을 하기 위해, 전송된 빔 B와 수신된 빔 C 사이의 각 θ는 적어도 30도가 되어야 하며, 따라서, 이동하는 스캐닝 헤 및 디지타이저의 물리적 거리는 디지털화되는 대상물의 크기의 함수이다. 예컨대, 만일 디지털화된 대상물이 그 토포그래피에서 2피트 깊이의 표면 함몰 부분을 가지면, 삼각 측량하는 프로브의 크기는 대략 16인치가 되어야 한다. 이러한 대형 프로브는 스캐닝 디바이스의 중량을 증가시키며, 그에 따라 기계적인 불안정의 리스크가 일정해지도록 스캐너를 보정하는 것이 필요하다.
일반적으로 거리계(range finder)에 대해서, 오늘날 가장 보편적인 것 중 하나는 폴리스 레이더 거리계이다. 현대의 폴리스 레이더 거리계는 반도체 레이저(전술한 레이더에 대립함)를 사용하여, 측정이 도출되는 광 빔을 투사한다. 디바이스는 레이저 빔의 변조에 대해 주파수 시프트(즉, 도플러 효과)를 사용할 수 있다. 별법으로, 디바이스는 짧은 광 펄스를 전송하고, 타겟의 속도가 계산되어지는 펄스의 반환의 변화한 시간을 측정할 수 있다. 상기 방법중 어느 것도 고정밀도의 거리를 제공하지는 못한다.
다른 종래의 거리계로는 광의 속도에 기초하여 거리를 측정하는 전기 광학 디바이스인 상표명 Geodimeter을 들 수 있다. Geodimeter에 사용되는 방법은 반환 신호의 다양한 위상이 거리를 보정하기 위해 측정되는 설비로 다시 역반사되는 고정 주파수 변조 광 빔을 전송하는 것이다. 이는 거리를 측정하기 위해 고정 주파수 신호를 전송하고 반환 신호의 위상을 측정하는 단계를 포함하는 종래의 표준 방법이었다.
본 발명은 거리를 광학적으로 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 또한 3차원 표면을 디지털화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 거리 측정 시스템의 예시적인 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 거리 측정 시스템을 더 상세히 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 거리 측정 시스템의 보정부의 예시적인 실시예의 정상 모드를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 실시예의 보정 모드를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 거리 측정 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 거리 측정 시스템의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 거리 측정 시스템의 처리 회로의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 예시적인 거리 측정 방법의 단계를 나타내는 플로우챠트이다.
도 9는 본 발명의 포토다이오드 드라이버 및 믹서 회로의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 풀드 크리스탈 클록(pulled crystal clock)의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 위상 검출 이론을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 거리 측정 장치의 다른 예시적인 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 2미러 스캐닝 장치의 예시적인 실시예를 나타내는 도면이다.
도 14는 종래 삼각 측량 기술을 설명하기 위한 도면이다.
전술한 종래 기술의 단점의 측면에서, 본 발명의 목적은 이들 단점을 완화하거나 제거한, 거리를 측정하고 또는 대상물을 디지털화하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기존의 스캐닝 및 거리계 디바이스의 한계를 극복한 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 비교적 작은 휴대용의 거리 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 디바이스로 몇 시간 또는 몇 일이 아니라 몇 초로 대상물을 디지털화할 수 있는 대상물 디지털화 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상당히 저가로 하여 종래 시스템보다 더 광범위 하게 적용될 수 있는 거리 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 데이터를 생성하고 수집하는 광 신호를 전송하고 타겟으로부터 동축으로 수신하는 거리 측정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 대상물의 특징을 정밀하게 나타내는데 필요한 데이터 포인트의 개수를 상당히 감소시키는 대상물 디지털화 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 데이터 조작(예컨대, 곡선 맞춤)을 온더플라이(실시간)로 수행하는 거리 측정 또는 대상물 디지털화 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 따라서, 데이터 클라우드를 생성하는 것보다, 데이터의 수학적 표현이 출력되며, 이러한 수학적 표현은 사용자 정의 가능하다.
본 발명의 또 다른 목적은 코히어런트(단일 주파수) 광원을 필요로 하지 않으며, 그에 따라 간섭 측정 기술에 사용되는 역반사기에 대한 필요성을 제거한 대상물 디지털화 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명은 대상물을 넓은 범위의 표면 특성으로 측정하고 곤란한 타겟과 설비의 기계적 맞춤에 대한 필요성을 제거하고, 새도우 문제를 해결하고 측정 디바이스의 크기를 증가시키는 일 없이 거리 측정에 대한 제한을 제거할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 실시간 품질 제어 어플리케이션을 위한 고정밀도이고 절대적인 측정을 제공하는 디지털화 및 근거리 측정 방법 및 장치를 제공하는것이다. 따라서, 본 발명은 컴퓨터형 수치 제어된(CNC) 밀링 머신의 툴 라이브러리에 하나의 툴로서 제로 처리로 통합될 수 있다. 이러한 통합에 의해 정밀 제조사(예컨대, aerospace companies)는 머신의 베드로부터 부품을 이동시키는 일 없이 부품을 보증할 수 있고, 그에 따라 제조 처리의 속도를 상당히 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 목적은 복수의 스캐닝 헤드가 설치되어 있는 다중 스캐닝 헤드 시스템에서 구현될 수 있는 거리 측정 및/또는 대상물 디지털화 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명의 이론을 구현하는 디지털화 설비는 대형 대상물 예컨대, 자동차 또는 항공기 날개 및 임의의 형태 또는 구조의 대상물을 몇 초 내로 디지털화할 수 있다. 종래 스캐닝 시스템에 비해 하드웨어, 인력 및 시간이 상당히 절약된다.
본 발명은 0.001 인치 정도의 정밀도로 중거리(예컨대, 50 피트 이하)를 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다, 본 발명의 방법 및 장치는 거리를 가능하고 신속하게 측정할 수 있다. 대상물 표면까지의 거리를 측정하면, 본 발명은 종래 기술로는 가능하지 않은 정확도, 정밀도 및 속도로 이 거리 데이터를 획득하고, 대상물을 디지털화할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따라, 대상물까지의 거리를 측정하는 방법은 변조 레이저 빔을 공지된 주파수로 타겟까지 전송하는 것을 포함한다. 반사된 빔은 타겟으로부터 수신되고, 주파수는 특정 조건을 충족하도록 조정된다. 전송된 빔이 변조되는 주파수는 전송된 빔과 반사된 빔 사이에 제2 특정 위상차가 발생할 때까지 변조된다. 이어서, 타겟까지의 거리는 2개의 변조 주파수로부터 계산된다.
본 발명의 일측면에 따라, 거리 측정은 변조 주파수를 생성하는 조정 가능한 주파수 발생기를 포함한다. 광원은 주파수 발생기에 접속되고, 광 빔을 변조 주파수에서 타겟으로 전송한다. 타겟 센서는 반사된 주파수를 갖는 타겟으로부터 반사된 빔을 수신한다. 주파수 발생기 및 타겟 센서에 접속된 위상 검출기는 변조 주파수 및 반사된 주파수를 수신하고, 변조 주파수와 반사된 주파수 간의 위상각을 나타내는 출력을 제공한다. 위상 검출기 및 주파수 발생기에 접속된 컴퓨터는 변조 주파수와 반사된 주파수 사이가 제로 위상차로 될 때까지 변조 주파수를 조정한다. 따라서, 종래 장치에서 고정 기준 주파수를 제공하고 위상을 측정하는 것보다, 본 발명은 제로 위상차가 될 때까지 변조 주파수를 가변한다. 이 거리 측정 방법은 종래 방법보다 더 용이하고 정확하다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 거리 측정 시스템은 또한, 광원과 타겟 사이에 배치 또는 위치된 빔 스플리터를 포함한다. 빔 스플리터는 전송 빔이 타겟 상에 입사하고, 반사되면 수신된 빔이 타겟 센서 상에 입사하도록 한다. 따라서, 타겟에 전송된 광 및 타겟 센서로 다시 반사된 광은 실질적으로 동축에 있다. 이러한 동축 시스템은 종래 삼각 측량 기술에 대한 필요성 및 그에 따른 모든 고유의 단점을 제거한다. 본 발명의 동축 특성은 또한, 전체 거리 측정 시스템이 소형, 즉 종래 시스템보다 매우 작게 구현될 수 있도록 한다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 타겟까지의 거리를 측정하는 장치는 광 빔을 변조 주파수에서 타겟으로 전송하는 광원을 포함한다. 광원에 접속된 조정 가능한 주파수 발생기는 변조 주파수를 발생시킨다. 타겟 센서는 특정 반사 주파수에서 타겟으로부터 반사된 빔을 수신한다. 이 장치는 또한, 주파수 발생기 및 타겟 센서에 접속되어, 변조 주파수 및 반사된 주파수를 수신하는 위상 검출기를 포함한다. 위상 검출기는 변조 주파수와 반사된 주파수 사이의 위상각을 나타내는 출력을 제공한다. 이 위상각 결정으로부터, 타겟까지의 거리가 계산될 수 있다. 위상 검출기는 바람직하게, 90도의 각각의 배수인 위상각을 각각 나타내는 복수의 출력을 갖는다.
주파수 발생기는 전송된 빔의 조정된 변조 주파수와 반사된 빔의 반사 주파수 사이의 90도의 배수인 위상각을 산출하도록 변조 주파수를 조정하는 주파수 조정 신호를 수신하는 입력을 포함한다. 타겟까지의 거리는 변조 주파수에 대해 반사 주파수의 영교차를 산출하는 주파수를 결정함으로써 계산될 수 있다. 영교차는 영교차에서의 주파수의 기울기가 최대이기 때문에 용이하게 결정된다. 따라서 거리 계산은 신속하고 정확하게 수행된다.
본 발명의 다른 목적, 이점 및 특징은 첨부된 도면을 참조한 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 용이하게 나타난다.
본 발명의 거리 측정 및/또는 대상물 디지털화 이론은 다양한 실시예로 구현될 수 있다. 그러나, 이들 이론을 예시하기 위해서 본 발명의 2개의 바람직한 실시예가 제공된다. 대략 설명하면, 본 발명의 거리 측정 시스템은 종래 삼각 측량에 대한 필요성을 제거하고, 동축으로 데이터를 발생시키고 수집한다.
제1 예시적인 실시예
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 거리 측정 시스템(10)은 타겟(12)의 표면까지의 거리 d를 측정한다. 거리 측정 시스템(10)은 광(16)을 발산하는 레이저 다이오드와 같은 광원(14)을 포함한다. 광원(14)은 바람직하게 변조기(18)에 의해 제어되고, 그에 따라 광(16)은 고정 주파수의 사인 곡선으로 변조된다. 이어서 광(16)은 콜리메니터(20)에 의해 수신되고, 콜리메이터는 광(16)을 타겟(12)으로 전송되는 전송 빔(22)으로 시준한다. 전송된 빔(22)은 타겟(12)의 표면에서 반사되어 산란된다. 산란된 광의 일부는 수신된 빔(24)으로 시스템(10)에 다시 반사된다. 수신된 빔(24)은 빔 스플리터 또는 미러(26)에서 반사되어 렌즈(28)에 의해 타겟 센서(30)로 포커스된다. 타겟 센서(30)는 타겟 신호(32)를 처리 회로(34)의 입력부에 제공한다. 타겟 신호(32)는 타겟(12)으로부터 수신된 빔(24)을 나타내며, 타겟 위상을 갖는다. 애퍼쳐(35)는 램덤 산란된 광 및/또는 환경적 복사가 미러(25)에 입사되고 타겟 신호(32)에 영향을 주는 것이 최소화되도록 제공될 수 있다.
광원(14)으로부터의 광(16)의 일부는 기준 신호(38)를 제공하는 기준 센서(36)에 입사된다. 기준 신호(38)는 광원(14)에 의해 발산된 광(16)을 나타내고, 기준 위상을 갖는다. 타겟(12)까지의 거리 d는 타겟 신호(32)의 타겟 위상에서 기준 신호(38)의 기준 위상을 감산하고 거리 보정값을 가산하는 함수로서 처리 회로(34)에 의해 계산되며, 이하 상세히 설명된다.
거리 측정 시스템(10)은 바람직하게 시스템(10)을 주기적으로 보정하는 보정부(40)를 포함한다. 본 발명에 따라, 보정부(40)는 보정 타겟(42), 타겟(42)을 구동하는 모터(44), 보정 광원(46) 및 보정 센서(48)를 포함한다. 보정부(40)의 동작에 대해서는 이하 상세히 설명된다. 퍼스널 컴퓨터와 같은 컴퓨터(50)는 특히 대상물 디지털화 어플리케이션에서 함수를 제어하고 나타내기 위해 디지털 처리 회로(34)와 인터페이스될 수 있으며, 이하 상세히 설명된다.
도 2을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예가 더 상세히 도시되어 있다. 처리 회로(34)는 전송 빔(22)의 변조를 제어하고, 타겟 신호 및 기준 신호(32, 38)를 처리한다. 이어서 처리 회로(34)는 디지털화 어플리케이션과 같은 추가의 처리를 위해 컴퓨터(50)에 데이터를 제공한다. 처리 회로(34)는 소정의 주파수를 갖는 클록 신호(54)를 제공하는 클록(52)을 포함한다.
전송된 빔(22)이 변조되는 주파수는 거리 측정 시스템(10)이 고정확도를 유지하면서 가능한 고속으로 데이터를 발생시키고 수집하도록 선택된다. 전송된 빔(22)이 약 1,500 MHz 이상의 주파수를 갖는다면, 시스템의 다양한 구성 요소의 동작은 불명료해질 수 있고, 시스템의 선형성을 유지하기 어려울 수 있음이 증명되었다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 1,500 MHz 이하의 주파수 예컨대, 600 MHz의 주파수가 전송 빔(22)을 위해 선택된다. 이러한 주파수에서 전송 빔(22)을 변조함으로써, 거리 측정 시스템(10)은 초당 1,000번의 측정을 수행할 수 있다.
약 600 MHz에서 전송 빔(22)을 변조하기 위해, 클록 신호(54)의 주파수는 안정적이고 변동이 없는 클록 신호(54), 예컨대 10 MHz를 제공하도록 선택된다. 클록 신호(54)는 바람직하게 소정의 주파수를 산출하도록 주파수 채배기(56)에 의해 채배된다. 도시된 바람직한 실시예에서, 4 및 16의 인자를 갖는 2개의 주파수 채배기(56a, 56b)는 각각 클록 신호(54)를 채배하여 640 MHz의 주파수를 갖는 주파수 채배된 클록 신호(54")를 제공하며, 이 클록 신호(54")는 변조기(18)에 제공되고 이어서 광원(14)에 제공된다.
다른 인자가 소정의 변조 주파수를 선택할 때 채용될 수 있다. 거리 측정 시스템(10)의 측정에 있어서의 에러는 전송 빔(22)의 변조 주파수의 몇 사이클 주기로 측정된다. 따라서, 변조된 전송 빔(22)의 파장은 가능한 단파장이고, 광원(14)(예컨대, 레이저 다이오드) 및/또는 센서(30, 36)(포토 다이오드)를 위해 현재 입수 가능한 시판 소자에 의해서만 제한되어야 한다. 또한, 변조된 전송 빔(22)의 진폭은 가능한 큰 진폭이고, 사인 곡선에 대해 1%의 일탈을 유지하도록 일정해야 한다. 다시 말해, 변조된 전송 빔(22)의 영교차에서의 기울기는 동일 피크 진폭의 사인 곡선의 1% 이내로 유지되어야 한다.
클록 신호(54)는 또한, 처리 신호(60)를 출력하는 신시사이저(58)에 제공된다. 처리 신호(60)의 주파수는 주파수 채배기(62a, 62b)에 의해 채배된다. 채배된 처리 신호(60")는 한 쌍의 멀티플라이어(64, 66)에 제공된다. 멀티플라이어(64)는 타겟 소스(30)로부터의 타겟 신호와 처리 신호(60")를 곱셈하고, 멀티플라이어(66)는 기준 센서(36)로부터의 기준 신호(38)와 처리 신호(60")를 곱셈한다. 멀티플라이어(64, 66)는 곱셈한 타겟 신호 및 기준 신호(32', 38')를 각각의 증폭기/필터(68, 70)에 제공한다. 멀티플라이어(64, 66) 및 필터(68, 70)는 각각 변조된 타겟 신호 및 기준 신호(32, 38)의 주파수 전이를 행하는 믹서를 포함한다. 혼합된 타겟 신호와 기준 신호(32', 38')는 각각 멀티플라이어(72, 74) 및 증폭기/필터(76, 78)에 의해 처리 주파수에서 신호(60')와 혼합된다. 타겟 신호 및 기준 신호(32", 38")는 가변 이득 증폭기(80, 82)에 입력된 후, 디지털/아날로그(A/D) 변환기(84, 86)에 입력된다. A/D 변환기(84, 86)는 각각 디지털화된 타겟 신호 및 기준 신호(88, 90)를 필드 프로그래머블 게이트 어레이(92)에 제공하며, 이 필드 프로그래머블 게이트 어레이는 프로세서(94)와 인터페이스하고, 이어서 퍼스널 컴퓨터(50)과 인터페이스한다.
도 1을 다시 참조하여, 이하 보정부(40)에 대해 상세히 설명된다. 전술한 바와 같이, 보정부(40)는 주기적으로 시스템(10)을 보정한다. 보정 타겟(42)은 간헐적으로 또는 선택적으로 전송 빔(22)을 콜리메이터(20)[또는 광원(14)]로부터 차단한다. 이 차단은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 보정 타겟(42)을 구성함으로써 수행되며, 이들 도면은 보정 타겟(42)에 형성된 돌출부(100) 및 노치(102)를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 정상 동작 하에서 시스템(10)이 데이터를 발생시키고 수집할 때 보정 타겟(42)은 전송 빔(22)과 수신 빔(24) 사이에 보정 타겟(42)이 통과할 수 있도록 배치된다(도 3 및 도 4에서 전송 빔(22)과 수신 빔(24)은 명백하게 나타내기 위해 각각 기호및 ⊙로서 공통 광축 φ상에서 비동축으로 오프셋되어 있다). 도 4에 도시된 바와 같이, 시스템(10)이 보정될 때, 보정 타겟(42)은 돌출부(100)가 전송 빔(22)을 차단하도록 회전한다. 따라서, 타겟(12)으로부터 수신된 빔(24)은 없지만, 돌출부(100) 그 자체로부터 수신된 빔(참조 부호 24'로 표시)이 존재하는데, 이 빔은 미러 및 렌즈(28) 상으로 그리고, 타겟 센서(30)로 반사되고, 그 후 타겟 센서(30)가 타겟 신호(32)를 출력한다.
타겟 신호(32)가 타겟(12)으로부터 수신된 빔인지 또는 보정 타겟(42)으로부터 수신된 빔(24')인지를 결정하기 위해, 보정 센서(48)는 보정 신호(104)를 처리 회로(34)에 제공한다. 보정 신호(104)는 보정 광원(46)에 의해 제공된 보정 빔(104)로부터 발생되어, 돌출부가 전송 빔(22)을 차단할 때 노치(102)를 통과하여 보정 센서(48)에 입사된다. 보정 센서(48)로부터 보정 신호(104)를 수신하면, 처리 회로(34)는 거리 보정 변수를 갱신한다. 임의의 간격을 정할 수 있지만, 데이터 수집 및 계산을 포함하는 보정을 행하는 간격은 약 1 ms 이하가 바람직하다. 이는 돌출부(100)가 대략 30。의 폭을 갖고 노치(102)가 약 58。의 폭을 가질 때 보정 타겟(42)을 분당 약 1,200 회전으로 회전시킴으로써 달성될 수 있다.
제2 예시적인 실시예
본 발명의 다른 예시적인 실시예는 도 5, 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 전술한 실시예에서와 같이, 이 실시예의 거리 측정 시스템(참조 부호 200에 의해 지시됨)은 초당 약 10,000 샘플까지의 비율로 데이터의 발생 및 수집을 위해 광을 동축으로 전송하고 수신하며, 이어서 0.001 인치의 정밀도로 타겟까지의 거리를 계산한다. 시스템(200)은 소정의 범위에 대해 설계될 수 있기는 하지만 대부분의 산업 어플리케이션에 있어서, 동작 범위는 약 50 피트 이하가 될 수 있고, 바람직하게는 약 5 피트∼25 피트이다.
도 5를 참조하면, 거리 측정 시스템(200)은 전송기(202) 및 수신기(204)를 포함한다. 전송기(202)는 소직경의 진폭 변조형(AM) 펄스를 발생시키거나 또는 빔(208)을 발산하여 타겟(12)으로 전송하는 광원(206)을 포함한다. 수신기(204)는 타겟(12)으로부터 수신 빔(212)을 수신하는 타겟 센서(210)를 포함한다. 도면에 명백하게 도시하지는 않았지만, 전송기(202) 및 수신기(204)의 광학계(optics), 즉 광원(206)의 전송기 광학계(214) 및 타겟 센서(210)의 수신기 광학계(216)는 실질적으로 동축이 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 수신기(204)는 처리 회로(218)에 접속된다.
전송된 빔(208)은 기준 주파수 발생기(220) 및 위상 동기 루프(PLL)(222)에 의해 발생, 제어 및 가변된 변조 주파수(fm)로 전송된다. 주파수 발생기(220)는 컴퓨터(400)로부터 미소 조정 신호(224)를 수신하고, 전송기(202)의 PLL(222)로부터 PLL(222)에 기준 주파수(fref)를 제공한다. PLL(222)의 N분할 카운터(223)는 기준 주파수 fref를 조정하기 위해 컴퓨터(400)로부터 거친 조정 신호(226)를 수신한다. PLL(222)은 변조 주파수(fm)를 가진 변조 신호(225)를 광원(206)에 제공하고, 변조 주파수 fm로 전송 빔(208)을 변조시킨다. PLL(222)로부터의 변조 신호(225)의 변조 주파수 fm은 기준 주파수 fref의 N배한 것과 동일하다.
변조 주파수 fm은 바람직하게 100 MHz∼200 MHz의 범위이다. 이 주파수 범위는 수신기(204)에서 양호한 분해능을 제공할 만큼 충분히 높고, 고가이고 신종 전자 소자를 요구하지 않도록 충분히 낮다. 또한, 이 주파수 범위는 일부 타겟이 고성능의 반사기인 경우에 실용적이고, 광원(206)의 레이저 다이오드(이하 설명됨)를 재변조할 수 있는 방식으로 전송된 빔(208)을 반사할 수 있으며, 이 재변조(remodulation)는 100 MHz∼200 MHz 범위에서 발생하는 경우는 적다.
변조 신호(225)는 또한, 파장(λm)을 갖는다. 공지된 바와 같이, 파의 주파수의 파장 간의 관계는 파의 속도(v)가 주파수(f)와 파장(λ)의 곱과 동일한데, 즉 속도 v=λf이다. 따라서, 속도가 본질적으로 일정한 경우, 주파수가 증가하면 파장은 감소한다. 따라서, 변조된 신호(225)의 주파수 fm(그에 따른 전송 빔(206)의 주파수)을 조정함으로써 전송된 빔(206)의 파장 λm이 상보적으로 조정된다. 본 발명에 따라, 전송된 빔(208)의 파장 λm은 광원(206)과 타겟(12) 사이가 정확하게 거리 d가 되도록 조정되며, 이하 상세히 설명된다.
필수적인 주파수 조정, 미소 튜닝 및 거친 튜닝 및 시스템(200)의 다른 변수는 컴퓨터(400)로부터 입력되는 것이 바람직하다. 또한, 컴퓨터(400)는 또한, 시스템(200), 특히 처리 회로(228)로부터 데이터를 판독한다. 컴퓨터(400)는 퍼스널 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터 등이 될 수 있다. 컴퓨터(400)는 또한, 온도, 습도, 기압 및 다른 환경적 조건을 판독하기 위해 환경 센서(402)에 접속될 수 있으며, 이들 환경적 조건은 전송 및 수신 빔(208, 212)의 속도에 영향을 미쳐서 거리 d의 계산에 영향을 줄 수 있다. 별법으로, 이들 환경 변수는 또한, 사용자에 의해 수동으로 컴퓨터(400)에 입력될 수 있다.
미소 및 거친 신호(224, 226)를 통해, 컴퓨터(400)는 기준 주파수 발생기(220) 및 PLL(222)에게 변조 주파수 fm을 생성하도록 지시한다. 이어서 컴퓨터(400)는 바람직하게 피코초의 주기의 분해능으로 반사된 빔(212)의 위상을 모니터링한다. 컴퓨터(400)는 제로 위상 밸런스가 반사된 빔(212)에 이루어질 때까지 전송된 빔(208)의 변조 주파수 fm을 가변한다. 컴퓨터(400)는 바람직하게 컴퓨터에 의해 액세스 가능한 소프트웨어에 의해 거리 d를 계산할 수 있다. 전송된 빔(208)의 변조 주파수 fm의 공칭값은 선택되어 원하는 데로 조정될 수 있는데, 예컨대, 공칭 변조 주파수(fm0)는 약 100 MHz가 되도록 선택되어 약 50 MHz∼200 MHz의 범위 내에서 조정될 수 있으며, 이하 상세히 설명된다. 수신기(204)는 거친 조정 신호(226)에 접속된 (N+1)분할 카운터(229)를 갖는 위상 동기 루프(228)를 포함한다.
처리 회로(218)는 위상 검출 회로(230) 및 아날로그/디지털(A/D) 변환기(232)를 포함한다. 위상 검출 회로(230)는 타겟 센서(210)로부터 반사된 신호(212)를 나타내는 차신호(233)를 수신하고 주파수 발생기(220)로부터 기준 주파수 fref를 수신한다. 위상 검출 회로(230)는 컴퓨터(400)에 제공되는 디지털 출력 신호(236)으로의 변환을 위해 아날로그 위상 검출 출력(234)을 A/D 변환기(232)에 제공한다.
거리 측정 시스템(200)의 바람직한 실시예가 도 6에 상세히 도시되어 있다. 디지털/아날로그 변환기(DAC)(250)는 컴퓨터(400)로부터의 8비트 디지털 미소 조정 신호(224)를 비례하는 전류로 변환하고, 이 전류는 이어서 내부 버퍼 증폭기에 의해 전압으로 변환된다. DAC(250)의 전압 출력은 전압 제어형 크리스탈 오실레이터(VCXO)(252)에 제공된다. VCXO(252)는 바람직하게 27 MHz 크리스탈 오실레이터를 포함하고, 이 오실레이터는 이진 분할 후에 432 kHz 신호를 출력한다. 이어서 VCXO(252)의 432 kHz 출력은 2비트 그레이코드 카운터로서 접속된 플립플롭(254)에 의해 분할된다. 이와 같이, 4번의 동작에 의한 분할(divide-by-four action)은 그레이코드 시퀀스에서 발생한다. 각 플립플롭(256, 258)은 2 사이클 동안 온이고, 이어서 상태를 변화시키고, 하나의 플립플롭의 사이클링은 하나의 카운터에 의해 다른 카운터로부터 오프셋된다. 이러한 구성은 90。에 의해 오프셋된 2개의 신호 Q0및 Q1를 생성한다. 플립플롭의 Q 및 not-Q 출력을 반전시킴으로써, 90。신호는 270。신호가 되며, 0。신호는 180。신호가 된다. 따라서, 4개의 고정 위상 신호는 완전한 100 kHz 사이클에 대해 발생된다. 플립플롭(256, 248)의 구성은 구적 카운터(quadrature counter)로 알려져 있다. 신호 Q0은 전송기의 PLL(222) 및 PLL(228)에 제공된다.
PLL(222)은 신호 Q0을 수신하는 입력 및 필터(262)에 접속되고 이어서 전압 제어형 오실레이터(VCO)(264)에 접속된 출력을 갖는 위상 비교기(260)을 포함한다. PLL(222)의 피드백 루프는 컴퓨터(400)으로부터의 VCO(264)의 출력에 의해 규정된다. VCO(264)는 변조 신호(225)를 광원(206)에 출력하며, 바람직하게 레이저 다이오드(272)를 구동하는 레이저 드라이버(270)로 구성되어 있다. 열펌프(273)가 레이저 다이오드(272)의 열 안정화를 위해 제공될 수 있으며, 바람직하게는 20 mW 이하에 있다. 변조 신호(225)의 변조 주파수 fm는 전술한 바와 같이, N인자 카운터(266, 268)에 의해 조정된다. 더 상세하게는, 변조 주파수 fm은 기준 주파수 fref와 정수 N의 곱(즉, fm= N ×fref)이다.
위상 비교기(260)는 2개의 구별된 신호, 즉 100 kHz 기준 신호 Q0와 N분할 카운터(266, 268)로부터의 피드백 신호를 비교한다. N은 컴퓨터(400)로부터의 거친 신호(226)에 의해 결정된다. 신호(226)는 바람직하게 PLL(222)에서 카운트 N을 래치하도록 정해진 12비트(예컨대, D0-D7및 D8-D15)이다. 그러므로, 변조 신호(225)는 전술한 바와 같이 기준 신호 Q0를 N배한 신호이다. N은 전형적으로 1,000 내지 2,000이다. 따라서, 100 kHz의 예시적인 기준 주파수 fref및 1,000인 N에 의해, 변조 주파수 fm은 약 100 MHz이다. 위상 비교기(260)는 카운터(266, 268)의 출력의 주파수 및 위상이 대략 기준 신호 Q0와 정확하게 일치하도록 전압을 가변한다. 신호의 일치는 약 1 나노초보다 더 양호하다.
변조 주파수 fm을 조정하는데 있어서, 컴퓨터(400)는 거친 신호(226)에 대해 N 인크리먼트적으로 조정하며, N인 각 인트리먼트는 대략 200 kHz에 의해 변조 주파수 fm을 가변한다. 변조 주파수 fm이 소정의 동작 주파수의 200 kHz 이내에 있으면, 컴퓨터(400)는 기준 주파수 fref를 미소 신호(224)로 동조한다. 기준 주파수 fref에서의 극소의 가변은 변조 주파수 fm이 매우 작게 변화하도록 한다.
수신기(204)에 대해 설명하면, 위상 비교기(280), 필터(282), 전압 제어형 오실레이터(VCO)(284) 및 한 쌍의 카운터(2286, 288)의 구성은 전송기(202)의 구성에 대해 아날로그적으로 제공된다. 위상 비교기(280)는 기준 신호 Q0를 입력으로서 수신한다. 그러나, 기준 신호 Q0는 인자 N에 의해 조정되지 않고, 인자 N+1에 의해 조정되고, 그에 따라 VCO(284)는 (N+1)×fref의 출력 신호(289)를 제공한다. 이를 위햐, 거친 신호(226)의 D0는 전송기(202)의 PLL(222)에서 낮게 고정되는 반면, D0는 수신기(204)의 PLL(228)에서 높게 고정되며, 이들 양 D0는 컴퓨터 제어에 의해 분리된다. 이와 같이, VCO(284)의 출력 신호(289)는 전송기(202)의 변조 신호(225)보다 큰 주파수 100 MHz를 갖는다.
출력 신호(289)는 타겟 센서(210)의 애벌란시 포토 다이오드(APD)(292)와 함께 결합된 애벌란시 포토다이오드(APD) 바이어스 네트워크(29)에 제공된다. 부수적으로, 전송기 및 수신기 광학계(214, 216)는 렌즈의 형태가 될 수 있으며, 동작 환경으로부터의 광학적 간섭을 제거하기 위한 필터 및/또는 차폐 디바이스를 포함할 수 있다. VCO(284)의 출력 신호(289)는 APD(292)에 인가되는 DC 바이어스에 부과되는 작은 AC 전압이다. APD(292)는 반사된 신호(212)를 전류로 변환하고, 이 전류를 증폭하는데, 이것을 애발란시 곱셈이라고 한다. APD(292)에 걸린 전압을 출력 신호(289)에 의해 변조함으로써, 반사된 신호(212)는 출력 신호(289)에 의해 가변되는 이득에 의해 곱셈된다. 따라서, 변조 신호(225)는 출력 신호(289)에 의해 곱셈되며, 이것은 혼합(mixing)으로 알려져 있다. 이 혼합에 의해 PLL(222, 228)의 동작 신호(225, 289)의 주파수에 관한 차신호(233)가 생성된다. 이 경우, 차신호(233)는 [(N+1) ×fref] -[N ×fref]가 되고, fref자체(다른 믹서 곱에 따름)와 동일하며, 이 예시적인 실시예에서 100 kHz 정도이다. APD 바이어스 네트워크(290)로부터의 차신호(233)는 증폭되어 협대역 필터로 필터링되어(fref정도), 원하지 않는 믹서 곱을 제거하고, 이어서 위상 검출기(230)에 제공된다.
도 7을 참조하면, 처리 회로(218)의 바라직한 실시예는 위상 검출 회로(230) 및 A/D 변환기(232)를 포함한다. 위상 검출 회로(230)는 4개의 밸런스된 변조기(300a∼300d)로서 구성된다. 각 변조기(300)는 바람직하게는 MC1469 Gilbert cell이다. 변조기(300a∼300d)에는 차신호(233) 및 주파수 발생기(220)로부터의 기준 신호 Q0, Q1이 입력된다. 4개의 변조기(300a∼300d)는 승수로서 기준 신호 Q0, Q1의 4개의 위상(즉, 0。, 90。, 180。, 270。)을 사용한다. 변조기(300)의 4개의 출력은 복수의 증폭기(302a∼302f)에 제공된다. 증폭기(302)의 출력(234)은 A/D 변환기(232)에 제공된다. 0。, 90。, 180。, 270。위상 출력(234)에 추가하여, 0。내지 180。를 나타내는 하나의 출력 및 90。내지 270。를 나타내는 하나의 출력이 제공된다. 이들 2개의 차신호는 밸런스된 변조기 시스템(230)의 밸런스에 추가의 대칭도를 달성한다. 위상 출력중 임의의 출력은 반사된 신호(212)의 제로 위상 조건을 검출하는데 사용될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 작동시 컴퓨터(400)는 공칭 기준 주파수 fm0를 설정하고 기록한다(단계 S10). 차신호(233)의 기준 주파수 fref는 기준 주파수 fref에 대해 가장 근접하게 고정된 90。위상 조건을 검출하도록 4개의 변조기(300a∼300d)에 의해 모니터링된다(단계 S12). 0。위상 조건은 전송 빔(208)과 반사된 빔(212) 사이에서 정확하게 전파장 차이(또는 그 배수)의 검출을 나타내며, 90。위상 조건은 1/4 파장차와 전파장을 더한 것을 나타내며, 180。위상 검출은 1/2 파장차와 하나 이상의 전파장을 더한 것을 나타내며, 270。위상 조건은 3/4 파장차와 전파장을 더한 것을 나타낸다. 각 출력(234)은 A/D 변환기(232)에 의해 디지털화된 전압 레벨이며, 컴퓨터(400)에서 0V 또는 널의 소정의 조건과 비교된다. 널이 발견되지 않으면, 컴퓨터(400)는 1/4 파장차 또는 널 조건이 발생할 때까지 변조 주파수 fm을 거친 조정 신호 및 미소 조정 신호(224, 226)로 조정한다(단계 S14). 널 조건을 발생시키는 변조 주파수 fm는 리드 아웃(275) 또는 컴퓨터(400)에 의해 판독되어 기록되는데(단계 S16) 널 변조 주파수는 fml로 표시된다. 공칭 변조 주파수 fm0및 널 변조 주파수 fml로부터, 타겟(12)까지의 거리 d가 계산될 수 있으며(단계 S18), 이하 상세히 설명된다.
도 9를 참조하면, APD 바이어스 네트워크 회로(290)의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. APD 회로(290)는 버퍼 증폭기(297) 및 바이쿼드 대역 통과 필터(299)를 포함한다. 동작시, APD(292)에 인가되는 전압은 2개의 2 ㏀ 저항을 통하는 전류에 의해 200V 기준 전압으로 상승한다. 이 셀프-바이어싱 특징은 다이오드 전압을 모니터링하는 필요성을 제거하며, 복잡한 피드백 바이어스 회로를 포함하는 것을 제거한다. APD(292) 상의 전압은 APD(292) 상에 입사하는 광의 광량에 따른 DC 레벨을 취한다. 광이 적게 입사하면, APD(292)에서의 포토 전류는 감소하고, 20㏀ 저항에 걸리는 전압 강하도 감소하기 시작한다. 2개의 20㏀ 저항에서의 전압 강하가 작아진다는 것은 APD(292)에 걸린 전압이 상승하고, 이는 포토 전류의 APD 증폭을 증대시킨다는 것을 나타낸다. 증폭이 증가하는 것에 의해 증폭된 신호가 저압이 상승하는 것을 정지하는데 충분한 전류를 제공할 때까지 2개의 20㏀ 저항에서의 전류의 변화는 최소화된다. 20V 기준 전압으로부터의 DC 전압에 추가하여, PLL(228)로부터의 접속은 고주파수(100 MHz) 신호(289)를 APD(292)의 캐소드로 운반한다. 고주파수 전압을 APD(292)의 고전압측에 인가함으로써, 51Ω저항에 걸린 저전압측 신호는 APD(292)의 비교적 낮은 커패시턴스에 의해 고주파수 신호(289)로부터 차단된다. 이는 버퍼 증폭기(297)가 반드시 다뤄야 하는 고주파수 신호(289)의 진폭을 감소시킨다.
도 10은 주파수 발생기(220)의 풀드 크리스탈 클록 또는 전압 제어형 크리스탈 오실레이터(252)의 바람직한 실시예를 도시한다.
거리 측정 계산
타겟 d까지의 거리 d는 광의 속도(v)에 전송 빔(208)이 타겟까지 이동하는데 걸리는 시간(또는 광학계의 동축 구성으로 인해, 수신 빔(212)이 타겟으로부터 이동하는데 걸리는 시간)을 곱셈함으로써 계산될 수 있다. 이 시간은 tt에 의해 표시된다. 이는 다음 수학식 1에 의해 요약될 수 있다.
광의 속도는 공지되어 있기 때문에(또는, 환경 센서(402)에 의해 측정되는 주위 조건에 따라 약간 가변함), 타겟까지의 시간(또는 타겟으로부터의 시간) tt만이 거리를 결정하는데 필요한다. 그러나, 거리 d의 계산의 정확도에 영향을 미칠 수 있는 시간 지연이 존재한다. 따라서, 시스템(200)의 이러한 각 시간 지연이 분리되어 진다. 각 개별적인 시간 지연이 전체 지연 및 계산의 정확도에 영향을 주었는지를 판단한다. 아래 표 1은 예시적인 시간 지연을 목록화한 것이다.
지연 변수 설명
전자 지연 1 Ed1 주파수 발생기(220)→PLL(222)→광원(206)
전자 지연 2 Ed2 주파수 발생기(220)→PLL(228)→센서(210)
전자 지연 3 Ed3 센서(210)→처리 회로(218)
전자 지연 4 Ed4 센서(220)→처리 회로(218)
전자 지연 5 Ed5 처리 회로(218)의 위상 시프트
광학 지연 1 Od1 타겟까지의 시간 + 제로 오프셋 1
광학 지연 2 Od2 타겟으로부터의 시간 제로 오프셋 2
전체 시간 지연(ttotal)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
ttotal= (Ed2 - Ed1) + (Ed4 - Ed3) + Ed5 + Od1 + Od2
모든 전자 지연 Ed1∼Ed5는 일정하다고 가정하고, 일정한 시간 지연(Td)(이들 전자 지연은 예컨대, 온도에 의해 변화할 수 있으며, 이하 상세히 설명함)을 나타낸다. 2개의 광학 지연 Od1, Od2는 가변적이고(타겟까지의 거리 d에 따라), 실질적으로 동일한 것으로 가정할 수 있다(시스템의 동축적 구성에 의해). 광학 지연 Od1, Od2는 가변적인 시간 지연(td)을 나타내도록 함께 더해질 수 있다. 그러므로, 전술한 수식은 다음과 같이 된다.
ttotal= 가변 시간 지연(td) + 일정 시간 지연(Td)
ttotal= td+ Td
이 식은 다음 수학식 2와 같이 바꿔 쓸 수 있다.
이에 대해 이하 상세히 설명한다.
도 A를 참조하면, 시간 지연은 0。위상차를 발생시키는 널 변조 주파수를 측정할 때 측정되며, 다음과 같이 수학식 2으로 나타낼 수 있다.
상기 식에서 N은 정수, f0은 위상 발생 변조 주파수이다. 이 시간 지연에 상당하는 거친 거리 dc는 다음 수학식 4에 의해 결정될 수 있다(단계 S20).
N은 공지되어 있지 않더라도, 상기 식은 시간 지연(및, 그에 따라 거친 거리)이 1/f0의 배수임을 나타낸다. 또한, 90。위상차(즉, 1/4 파장차)가 측정되면, 시간 지연은 다음 수학식 5와 같다.
유사하게, 180。위상차(즉, 1/2 파장차)에 대해, 시간 지연은 다음과 같다.
시간 지연 = (M + 1/2) ×(1/f180)
유사하게, 270。위상차(즉, 3/4 파장차)에 대해, 시간 지연은 다음과 같다.
시간 지연 = (L + 3/4) ×(1/f270)
이들 식에서 K, M 및 L은 정수이다. 수학식 3 및 수학식 5는 동등하게 될 수 있다.
N ×(1/f0) = (K + 1/4) ×(1/f90)
상기 식은 다음 수학식 6을 산출한다.
나머지 방정식도 유사하게 산출될 수 있다.
(f180/f0) = (M + 1/2)/N
(f270/f0) = (L + 3/4)/N
(f180/f90) = (M + 1/2)/(K + 1/4)
(f270/f90) = (L + 3/4)/(K +1/4)
(f270/f180) = (L + 3/4)/(M + 1/2)
전체 지연을 계산하기 위해, N은 전술한 6개의 방정식에서 구할 수 있다. N을 구한 다음, 전체 지연 ttotal은 타겟 tt까지의 시간이 이하 수학식 7에 의해 구한 것으로부터 계산될 수 있다.
타겟까지의 시간 = (전체 지연 - 일정 지연)/2
타겟까지의 시간 tt를 구한 다음, 미소 거리 df가 다음의 수식으로 결정될 수 있다(단계 S22).
df = tt×c
미소 거리 df로부터, 실제 거리 dt가 온도, 압력 등의 환경 변수를 보상한 후에 결정될 수 있다(단계 S24).
샘플 계산
예컨대, 0。와 90。위상각 f0, f90에 대한 주파수가 다음값을 갖는 것으로 가정한다.
f0 = 137.620850 MHz
f90 = 144.105000 MHz
따라서,
f0/f90 = 1.047116116
전술한 수학식 5로부터, 다음의 관계가 결정된다.
f0/f90 = (K + 1/4)/N = 1.047116116
다음, K 및 N에 대한 정수값이 1.047116116에 가장 근사한 값을 산출하는지를 결정하는데 요구된다. 표 2는 K 및 N값의 세트를 위한 값을 표로 만든 것이다. 0.5 내지 2.0 사이의 값만이 유효한 비율이다.
K ＼ N 3 4 5 6 7
3 1.08333 0.821 < 0.5 < 0.5 < 0.5
4 1.41667 1.0625 0.85 < 0.5 < 0.5
5 1.75 1.3125 1.05 0.875 < 0.5
6 > 2.0 1.5625 1.25 1.0416 0.8929
7 > 2.0 > 2.0 > 2.0 > 2.0 1.0357
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, K=5 및 N=5이면, f0/f90의 정확한 비율을 가장 어림한 (K + 1/4)/N = 1.05이다. 진공, 광의 속도 c로 하면, 초당 299,792,485 미터와 동일하다. 이어서 전술한 수학식 4로부터 거친 거리 dc가 다음과 같이 계산될 수 있다.
dc= N×(c/f0) ÷2
dc= 5×(299,792,458/137,620,850) ÷2
dc= 5.445987 미터
도 12를 참조하면, 본 발명의 광학 시스템(308)의 다른 구성이 도시되어 있다. 광원(310)은 빔 스플리터(314)에 의해 분리된 전송 빔(312)을 제공하고, 전송 빔(312)의 일부는 타겟(12) 및 기준 센서(316) 상에 입사된다. 반사 빔(318)은 렌즈(320)에 의해 집광되어 타겟 센서(322) 상에 포커스된다. 기준 센서(316) 및 타겟 센서(322)는 각각 전술한 바와 유사하게 타겟까지의 거리를 계산하는데 사용하기 위해 기준 신호(324) 및 타겟 신호(326)를 처리 회로(328)에 제공한다. 광학 시스템(308)은 사용자에 의해 원하는 곳에 배치될 수 있는 완비된 휴대용 장치인 것이 바람직하다. 복수의 광학 시스템(308)은 대형 타겟에 대한 고속의 데이터 발생 및 수집을 위해 단일의 디지털화 설비에 대해 제공될 수 있다. 예컨대, 실내에 종래 장치에서와 같이 몇 시간 또는 몇 칠이 아닌 몇 초로 항공기 날개를 디지털화하기 위해 전체적으로 배치된 4개 또는 6개의 광학 시스템(308)이 설치될 수 있다. 별법으로, 휴대용 광학 시스템(308)은 컴퓨터형 수치 제어된 밀링 머신의 툴 라이브러리중 하나의 툴로서 제조 처리에 통합될 수 있다. 이러한 통합에 의해 제조자는 머신의 베드로부터 부품을 이동시키는 일 없이 부품을 보증할 수 있고, 그에 따라 제조 처리의 속도를 상당히 감소시킬 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 속도를 더 증가시키기 위해, 전송 빔(312)을 아티컬레이팅(articulating)하는 2축 광학 장치(330)가 제공된다. 광학 장치(330)는 x축 아티컬레이션부(332) 및 y축 아티컬레이션부(334)를 포함하며, 이 각 부는 각각의 회전 가능한 미러(336, 338)를 포함한다. 광학 장치(30)는 전송 빔(312)을 타겟(12) 상의 소정의 위치로 향하게 한다(steer). 전송 빔(312)은 컴퓨터(340)의 제어 하에서 타겟(12)의 표면에 걸쳐 스캔되거나 래스터되어, 타겟까지의 거리를 계산하는데 사용하는 데이터를 발생하고 수집할 수 있다. 반사 빔은 바람직하게 미러(336, 338)의 사용에 의해 동축으로 수신되는 것이 바람직하다. 이러한 광학 시스템(330)을 구현함으로써 대량의 데이터는 매우 단기간 내에 발생되고 수집될 수 있다. 수집된 데이터는 컴퓨터(400) 또는 분석 시스템에 의해 타겟(12)을 디지털화하는데 사용될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 이론을 예시하는 것이고, 본 발명을 명세서에 도시되고 설명된 이들 바람직한 실시예로 한정하기 위한 것이 아님을 당업자는 이해한다. 예시적인 실시예는 다양한 대안 및 변형이 만들어 질 수 있는 기초를 제공하며, 이 대안 및 변형은 또한 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (8)

  1. 타겟까지의 거리를 측정하는 장치에 있어서,
    변조 주파수를 발생하는 조정 가능한 주파수 발생기와;
    상기 주파수 발생기에 접속되고 상기 타겟에 상기 변조 주파수로 전송 광 빔을 전송하는 광원과;
    상기 타겟으로부터 반사되고 반사 주파수를 갖는 반사 빔을 수신하는 타겟 센서와;
    상기 주파수 발생기 및 타겟 센서에 접속되고 상기 변조 주파수 및 상기 반사 주파수를 수신하고, 상기 변조 주파수와 상기 반사 주파수간의 위상각을 나타내는 출력을 제공하는 위상 검출기와;
    상기 위상 검출기 및 상기 주파수 발생기에 접속되고 상기 변조 주파수와 상기 반사 주파수 사이가 제로 위상차가 될 때까지 상기 변조 주파수를 조정하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 위상 검출기는 각각 90。의 배수인 위상각을 각각 나타내는 복수의 출력을 제공하는 것인 거리 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전송 빔 및 반사 빔은 실질적으로 동축인 것인 거리 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 컴퓨터는 상기 제로 위상차를 발생시키는 상기 변조 주파수에 기초하여 타겟까지의 거리를 계산하는 것인 거리 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 타겟 센서는
    상기 주파수 발생기 및 위상 검출기에 접속되고 상기 변조 주파수를 상기 반사 주파수와 혼합하여 차주파수를 생성하고 상기 차주파수를 상기 위상 검출기에 제공하는 바이어스 네트워크와;
    상기 바이어스 네트워크에 접속되고 상기 반사 빔을 수신하는 애발란시 포토다이오드를 포함하는 것인 거리 측정 장치.
  6. 타겟까지의 거리를 측정하는 방법에 있어서,
    조정 가능한 변조 주파수를 발생시키는 단계와;
    상기 타겟에 상기 변조 주파수로 전송 빔을 전송하는 전송 단계와;
    상기 타겟으로부터 반사 주파수를 갖는 반사 빔을 수신하는 수신 단계와;
    상기 변조 주파수와 상기 반사 주파수 사이의 위상차를 결정하기 위해 상기 반사 주파수를 모니터링하는 모니터링 단계와;
    상기 변조 주파수를 상기 변조 주파수와 상기 반사 주파수 사이가 제로 위상차가 될 때까지 조정하는 조정 단계와;
    상기 제로 위상차를 발생시키는 상기 조정된 변조 주파수에 기초하여 타겟까지의 거리를 계산하는 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 수신 단계는 상기 전송 빔과 실질적으로 동축의 관계로 반사 빔을 수신하는 단계를 포함하는 것인 거리 측정 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 모니터링 단계는 각각 90。의 배수인 위상각을 각각 나타내는 복수의 출력을 제공하는 단계를 포함하는 것인 거리 측정 방법.
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