KR20090035217A - 레이저 측량장치 - Google Patents

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Abstract

소형으로 간단한 구조를 갖으면서도 높은 수광효율을 갖는 제품성능 및 신뢰성이 우수한 레이저 측량장치가 제안된다. 본 발명에 따른 레이저 측량장치는 발광부 및 발광부와 수직하게 위치하는 수광부를 갖는다. 이 때, 발광되는 광의 광경로상에는 빔스플리터가 위치하여 발광된 광의 일부는 반사하고, 일부는 통과시킨다.
빔스플리터, 반사부, 레이저

Description

레이저 측량장치{Light detection and ranging apparatus}
본 발명은 레이저 측량장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소형으로 간단한 구조를 갖으면서도 높은 수광효율을 갖는, 제품성능 및 신뢰성이 우수한 레이저 측량장치에 관한 것이다.
3차원적으로 공간 및 물체를 인식할 수 있는 공간/물체인식센서는 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있다. 공장이나 빌딩, 생산현장과 같이 정형화된 환경에서 주로 사용되는 접촉식 센서에 비하여 비접촉식 공간인식센서는 측정범위와 대상이 다양하고 정형화되지 않은 환경에도 유연하게 적용할 수 있다.
비접촉식 3차원 공간인식센서는 음파(초음파) 또는 특정 주파수의 전자기파(레이저, 및 RF 등)를 발사하여 물체로부터 반사되는 파형으로부터 진폭, (왕복)시간 및 위상값 등을 추출함으로써 측정대상물체까지의 거리, 물체의 너비, 및 물체의 높이와 같은 정보를 취득하는 센서이다.
이 중, RF나 초음파를 이용한 공간인식센서는 파의 수렴성이 약하고 공간 분해능이 떨어져 주로 근거리(수m)의 공간인식용으로 제한적으로 사용된다. 주로, 자동차용 후방감지센서, 및 청소로봇과 같은 분야에 이용된다. 반면, 레이저 광원을 이용한 센서는 빔의 수렴성 조절이 용이하고 측정속도, 정밀도, 및 단위시간당 측정거리 등이 우수하여 고분해능, 원거리 측정가능성(수km), 및 고속측정이 요구되는 건축, 군사, 자율주행로봇, 지형측정, 우주, 및 항공분야 등 매우 다양한 분야에 다양한 방식으로 응용되고 있다.
레이저 광원을 이용하여 공간상의 물체까지의 거리를 측정하는 방식은 크게 삼각측량 방식, 비행시간(Time-Of-Flight, TOF)방식 및 간섭계(Interferometer)방식으로 나눌 수 있다.
삼각 측량법은 이미 위치 정보를 알고 있는 두 점과 측정하고자 하는 점이 이루는 삼각형을 분석하여 공간상의 소정위치를 판단하는 방법이다. 간섭계를 이용한 측정법에서는 광을 일정 주파수의 사인파로 변조하여 물체에 조사하고, 원래의 레이저 광과 반사된 레이저 광이 각기 다른 광경로를 이동한 후 합쳐질 때 나타나는 두 광의 경로차(Optical Path Difference)를 이용하여 거리를 측정한다. TOF 방식은 펄스 레이저 광을 공간상으로 조사하고 물체로부터 되돌아오는 펄스를 광검출소자를 통해 검지하여 두 펄스간의 시간차를 계산하여 거리를 산출한다.
삼각 측량법은 가까운 거리에서는 정밀도가 뛰어나지만 측정 거리가 멀어질수록 오차가 커져 원거리 측정용에는 사용할 수 없으며, 간섭계 측정방식은 기준광과 측정광 간의 광 경로차를 이용하기 때문에 측정광을 반사시킬 수 있는 구조의 반사체를 측정 대상에 부착하여야 하는 단점이 있다. 즉, 간섭계 측정방식의 공간인식센서는 측정대상을 수mm정도의 매우 높은 정밀도로 측정할 수는 있으나, 전술한 사용상의 제약과 장치가 고가라는 단점이 있다.
이에 반해 TOF방식의 센서는 측정 대상에 특별한 장치를 부착하지 않더라도 물체로부터 산란되어온 펄스 광원을 검출하여 비교적 간단하게 거리를 계산할 수 있어 공간상의 제약 없이 원거리 측정이 용이한 장점을 가지고 있다. 그러나 TOF 측정방식은 반사된 펄스를 계측한 시간차로 거리를 계산하기 때문에 물체에서 산란되어 되돌아오는 미약한 반사펄스를 검출할 수 있는 고효율의 광학계가 필요하다. 그러나, 종래의 TOF방식의 센서에서는 발광부 및 수광부가 같은 광축상에 위치하고 있어서, 반사펄스효율이 더욱 낮아지게 되는 점이 문제시되었다.
따라서, 이러한 TOF 방식의 센서에서 보다 간단한 구조를 통하여 수광효율을 높일 수 있는 방법의 개발이 요청되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 소형으로 간단한 구조를 갖으면서도 높은 수광효율을 갖는, 제품성능 및 신뢰성이 우수한 레이저 측량장치를 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 측량장치는 광을 발광하는 발광부; 발광된 광의 광경로상에 위치하고, 발광된 광의 파장을 갖는 광의 일부는 반사시키고, 일부는 통과시키는 빔스플리터; 발광된 광과 동일한 파장의 광을 통과시키는 대역통과필터; 및 발광된 광의 광경로와 수직하게 위치하고, 발광된 광 중 반사된 일부의 광 및 대역통과필터를 통과하여 입사하는 광을 수광하는 수광부;를 포함한다.
수광부는, 발광부에서 발광된 광경로에 위치하는 빔스플리터와 동일선상에 위치하여 발광부의 중심축과 수직한 위치에 위치할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치는 인식하고자 하는 대상물체를 대상물체의 상하방향으로 스캔하는 수직스캔미러; 및 대상물체를 대상물체의 좌우방향으로 스캔하는 수평스캔미러;를 더 포함하여 3차원 측량이 가능할 수 있다.
레이저 측량장치는 수광부로부터 시간데이터를 획득하여 거리를 산출하는 제어부를 더 포함하는데, 제어부는, 발광된 광 중 빔스플리터에서 반사된 일부의 광이 수광된 시간 및 대역통과필터를 통과하여 입사하는 광이 수광된 시간의 차이와 빛의 속도를 연산하여 측량하고자 하는 물체까지의 거리를 산출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치는 수광부에 대향하는 위치에 반사부;를 더 포함할 수 있다. 이 반사부는 빔스플리터에서 반사된 일부의 광이 반사 또는 산란되도록 하여 수광부로 입사하도록 유도한다. 입사된 광은 기준광으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치는 빔스플리터를 통과한 광의 경로에 위치하여, 통과광을 시준하는 시준렌즈;를 더 포함할 수 있다. 또한, 발광부는 발광소자 및 집광렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 측량장치는 발광광을 수광하는 수광부 및 입사광을 수광하는 수광부를 빔스플리터를 이용하여 하나의 수광부로 통합하여 사용하므로 보다 적은 수의 부품을 사용하게 된다. 따라서, 제품비용이 절감되고, 장치가 간단 하며, 공정이 단순해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 측량장치는 수광부로 입사되는 광의 경로를 발광부에서 발광되는 광의 경로와 수직하도록 위치시켜 수광효율을 극대화할 수 있어서, 보다 소형으로 간단한 구조를 갖지만 수광효율이 최대화되도록 구현될 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치(100)를 나타낸 도면이다.
레이저 측량장치(100)는 광을 발광하는 발광부(120); 발광된 광의 광경로상에 위치하고, 발광된 광의 파장을 갖는 광의 일부는 반사시키고, 일부는 통과시키는 빔스플리터(140); 발광된 광과 동일한 파장의 광을 통과시키는 대역통과필터(150); 및 발광된 광의 광경로와 수직하게 위치하고, 발광된 광 중 반사된 일부의 광 및 대역통과필터를 통과하여 입사하는 광을 수광하는 수광부(130);를 포함한 다.
발광부(120)는 레이저 다이오드와 같은 광을 발광할 수 있는 발광소자(미도시)를 포함한다. 발광부(120)는 레이저 측량장치의 몸체부(110) 중 어느 위치에든 위치할 수 있으나, 이어 설명할 수광부(130) 및 빔스플리터(140)의 위치를 고려하여 광을 발광할 수 있도록 위치하여야 한다.
수광부(130)는 발광된 광(이하, 발광광이라 한다)이 레이저 측량장치(100)를 떠나 측량하고자 하는 대상물체에 반사되어 대역통과필터(150)를 통하여 귀환하는 광을 수광한다. 수광부(130)의 중심축은 발광광의 광경로와 수직하게 위치한다. 또한, 수광부(130)는 발광부(120)의 발광광 중 빔스플리터(140)에 의하여 광경로를 이탈한 광 중 몸체부(110)에서 반사 또는 산란된 광을 수광할 수 있다. 이하, 도5a 및 도5b를 참조하여 발광부(120) 및 수광부(130)의 구조를 상세히 설명하기로 한다.
수광부(130)는 발광광의 광경로와 수직인 위치에 있으나, 레이저 측량장치(100)에 입사되는 광, 즉 수광될 광은 발광광의 광경로와 동일 또는 근접하여 진행한다. 즉, 발광부(120) 및 수광부(130)는 동일한 광축을 사용한다고 볼 수 있다.
따라서, 단일 광축을 이용하므로 보다 소형화 및 단순화된 구조를 갖는 레이 저 측량장치(100)를 구현할 수 있다. 특히, 단일광축을 사용하기는 하나, 수광부(130)는 빔스플리터(140)에 의하여 반사된 광을 수광하므로 발광부(120)이 수광을 방해하는 작용을 억제할 수 있어서 보다 높은 수광효율을 얻을 수 있다.
빔스플리터(140)는 발광광의 광경로상에 위치하고, 발광광의 파장과 동일한 파장의 광의 일부는 반사시키고, 일부는 통과시킨다. 빔스플리터(140)는 발광광의 일부를 광경로에서 이탈시켜 기준펄스로 사용하기 위한 구성이다. 빔스플리터(140)는 발광광의 일부를 반사시키는데, 반사된 광은 몸체부(110)와 같이 다시 반사 또는 산란될 수 있는 물체가 있는 방향으로 진행하여야 한다.
빔스플리터(140)에서 발광광이 분리되는 비율은 즉, 광 반사 및 투과비율은 발광광의 세기(광원세기), 대상물체와의 거리 및 수광부(130)의 수광성능(감도) 등을 고려하여 조절된다. 빔스플리터(140)의 빔분할비율은 일부투과광 : 일부반사광이 10:90 내지 90:10 중 어느 하나의 값으로 선택될 수 있다. 비발광광이 빔스플리터(140)에서 일부반사 및 일부투과되는 것은 이하, 도 2를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
발광광은 레이저 측량장치(100)의 몸체부(110)를 이탈하여 대상물체로 진행한다. 발광광이 대상물체에서 반사 또는 산란되면, 그 중 다시 레이저 측량장치(100)로 진행하는 광(이하, 입사광이라 한다)은 입사광의 파장을 통과시키는 대 역통과필터(150)를 통과한다. 대역통과필터(150)는 발광광의 파장과 동일한 파장의 광을 통과시킨다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치는 측량하고자 하는 대상물체를 대상물체의 상하방향으로 스캔하는 수직스캔미러(160); 및 대상물체를 대상물체의 좌우방향으로 스캔하는 수평스캔미러(170);를 더 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 레이저 측량장치(100)는 측량하고자 하는 대상물체까지의 거리와 함께 수평위치 및 수직위치를 측량할 수 있다.
수직스캔미러(160)로는 왕복거울(galvano type mirror)을, 수평스캔미러(170)로는 회전거울(rotation mirror)을 사용할 수 있다. 회전거울은 회전모터에 거울을 구비하고 있어서, 회전모터가 거울을 360°회전시켜 수평방향으로 광을 보낼 수 있다. 왕복거울은 회전모터의 회전축을 중심으로 소정 각도로 왕복운동을 하여 광을 수직방향으로 보낸다. 수직스캔미러(160)로는 음향 광편향기(acoustooptical deflector) 또는 전기광학편향기(electrooptical deflector)를 사용하여 수직 방향의 스캔 범위를 확대할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치는 빔스플리터를 통과한 광의 경로에 위치하여, 통과광을 시준하는 시준렌즈(collimation lens)를 더 포함할 수 있다.
도2는 도1에서 수광부 및 수광부 상측의 빔스플리터에 각각 입사 및 반사하는 광을 나타낸 도면이다. 발광광 L1은 빔스플리터(140)를 만나면, 일부는 반사광(이하 일부반사광이라 한다) L11으로, 일부는 투과광(이하 일부투과광이라 한다) L12으로 분리한다. L11은 광경로를 계속 진행하여 대상물체에서 반사되어 입사광 L2로 다시 입사한다. L2는 빔스플리터(140)에서 다시 일부반사 및 일부투과되어 수광부(130)에 입사하게 된다.
L12는 몸체부(110)의 일측면까지 진행하고, 일측면에서 반사 또는 산란되어 수광부(130)를 향하여 진행한다. 수광부(130)는 L12 및 L2를 수광하여 그 시간데이터를 획득한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치에서 발광된 빛이 경로에 따라 이동하는 것을 나타내는 개략도이고, 도4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치에서 발광펄스들 및 수광펄스의 시간관계를 나타낸 도면이다. 이하, 도2내지 도4를 참조하여 레이저 측량장치(100)의 데이터 산출방법을 설명하기로 한다. 이하, 각 시간의 단위는 ns를 기준으로 설명한다.
레이저 측량장치(100)는 수광부(130)로부터 시간데이터를 획득하여 거리를 산출하는 제어부(190)를 더 포함한다. 제어부(190)는, 발광광 중 일부반사광이 수광된 시간 및 입사광이 대역통과필터(150)를 통과하여 수광된 시간의 차이와 빛의 속도를 연산하여 측량하고자 하는 물체까지의 거리를 산출할 수 있다.
도3에서, 발광부(120)에서 발광펄스 P1으로서, t1에서 발광된 발광광 L1이발광되면, L1은 일부투과광 L11 및 일부반사광 L12로 분리된다. 이 때, L12는 기준펄스 P2이고, 수광부(130)에서 P2를 수광한 시각은 t2이다. 한편, L11은 물체(180)로 진행하여 반사 또는 산란되고, 반사 또는 산란된 광은 입사광 L2로서 대역통과필터(미도시)를 통해 레이저 측량장치(100)에 입사된다. L2는 수광펄스 P3이고, 수광펄스 P3가 수광된 시각은 t3이다.
도4를 참조하면, 먼저 P1이 t1에서 나타나고, 그 뒤, 빔스플리터(140)를 거친 일부반사광의 내부반사광이 기준펄스 P2로서 t2에 나타난다. 소정의 시간이 흐른 후, 수광펄스 P3는 t3의 시각에 나타나 있다. P1 및 P2의 시간간격은 Δt1, P2 및 P3의 시간간격은 Δt2이고, P1 및 P3의 시간간격은 (Δt1 +Δt2)이다. 제어부(190)는 Δt1의 값은 일정하므로 이를 기저장할 수 있다.
따라서, 제어부(190)에서는 기저장된 Δt1의 값과, t2 및 t3를 이용하여 발광광이 진행하여 수광된 전체 시간을 획득할 수 있고, 이 전체 진행한 시간은 왕복한 시간이므로 물체까지의 진행한 시간은 (Δt1 +Δt2)/2이다. 빛의 속도를 고려하면, 빛은 1ns당 30cm를 진행하므로 대상물체까지 거리는 (Δt1 +Δt2)/2에 30 (cm)를 곱하여 산출한다.
이 때, 레이저 측량장치(100)와 물체(180)와의 거리가 레이저 측량장치(100)보다 충분히 크다면 Δt2는 Δt1에 비하여 상당히 큰 값을 것이므로 거리 산출시 Δt1을 무시하고, Δt2/2에 30 (cm)를 곱하여 산출할 수도 있다.
도5a는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치의 발광부를 나타낸 도면이고, 도5b는 수광부를 나타낸 도면이다. 도5a에서, 발광부(120)는 발광부 몸체부(121)내에 발광소자(122) 및 이를 지지하는 발광소자 지지부(123)를 포함한다. 발광부(120)는 또한, 발광소자(122)가 발광하는 광의 광경로 상에 발광집광렌즈(124)를 구비하여 발광된 광을 집광시킬 수 있다. 집광된 광은 제1개구부(125)를 통하여 발광부(120) 외부로 진행한다. 발광소자(122)는 예를 들어, 레이저 다이오드일 수 있다.
도5b에서, 수광부(130)는 수광부 몸체부(131)내에 수광소자(132) 및 이를 지지하는 수광소자 지지부(133)를 포함한다. 수광부(130)는 또한, 수광소자(132)가 발광하는 광의 광경로 상에 수광집광렌즈(134)를 구비하여 제2개구부(135)를 통하여 수광부(130)내부로 입사된 광을 수광소자(132)로 집광시킬 수 있다. 수광소자(132)는 예를 들어, 포토다이오드일 수 있다.
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 반사판을 구비한 레이저 측량장치를 나타낸 도면이다. 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치(200)는 수광부(230)에 대향하는 위치에 반사부(280);를 더 포함할 수 있다. 반사부(280)이외에, 몸체부(210), 발광부(220), 수광부(230), 빔스플리터(240), 대역통과필터(250), 수직스캔미러(260), 및 수평스캔미러(270)는 도1에서 설명한 것과 동일하므로 이하 생략하기로 한다.
반사부(280)는 빔스플리터(240)에서 반사된 일부반사광을 반사 또는 산란시켜 수광부(230)광부로 입사하도록 유도한다. 반사부(280)는 일부반사광을 수광부(230)로 진행하도록 반사 또는 산란하여야 하므로 가능한한 빔스플리터(240) 및 수광부(230)가 형성하는 직선상에 위치하거나 근거리에 위치하는 것이 바람직하다.
입사된 광은 기준광으로 사용될 수 있다(도4의 기준펄스 참조). 따라서, 발광광에 대하여 별도의 수광부를 구비하지 않고, 하나의 수광부(230)만을 구비하여 발광광 및 수광광을 모두 수광할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치를 나타낸 도면이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치에서 수광부 및 수광부 상측의 빔스플리터에 각각 입사 및 반사하는 광을 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치에서 발광된 빛이 경로에 따라 이동하는 것을 나타내는 개략도이다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치에서 발광펄스들 및 수광펄스의 시간관계를 나타낸 도면이다.
도5a는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 측량장치의 발광부를 나타낸 도면이고, 도5b는 수광부를 나타낸 도면이다.
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 반사판을 구비한 레이저 측량장치를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 레이저 측량장치 110 몸체부
120 발광부 130 수광부
140 빔스플리터 150 대역통과필터
160 수직스캔미러 170 수평스캔미러

Claims (7)

  1. 광을 발광하는 발광부;
    상기 발광된 광의 파장을 갖는 광의 일부는 반사시키고, 일부는 통과시키는 빔스플리터;
    상기 발광된 광의 파장과 동일한 파장의 광을 통과시키는 대역통과필터; 및
    상기 발광된 광의 광경로와 수직하게 위치하고, 상기 발광된 광 중 반사된 일부의 광 및 상기 대역통과필터를 통과하여 입사하는 광을 수광하는 수광부;를 포함하는 레이저 측량장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수광부는,
    상기 빔스플리터와 동일선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 측량장치.
  3. 제1항에 있어서,
    인식하고자 하는 대상물체를 상기 대상물체의 상하방향으로 스캔하는 수직스캔미러; 및
    상기 대상물체를 상기 대상물체의 좌우방향으로 스캔하는 수평스캔미러;를 더 포함하는 레이저 측량장치.
  4. 제1항에 있어서,
    '상기 발광된 광 중 상기 빔스플리터에서 반사된 일부의 광이 수광된 시간' 및 '상기 대역통과필터를 통과하여 입사하는 광이 수광된 시간'의 차이와 빛의 속도를 연산하여 거리를 산출하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 측량장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수광부에 대향하는 위치에 반사부;를 더 포함하고,
    상기 빔스플리터에서 반사된 일부의 광은 상기 반사부에서 반사 또는 산란되어 상기 수광부로 진행하는 것을 특징으로 하는 레이저 측량장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 빔스플리터를 통과한 광의 경로에 위치하여, 상기 통과광을 시준하는 시준렌즈;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 측량장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는 발광소자 및 집광렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 측량장치.
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