KR20180108116A - 거리 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 거리 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치는, 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부, 상기 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위한 하나 이상의 셀을 포함하는 수광부, 스핀들 모터, 상기 스핀들 모터에 의해 회전하고 상기 발광부가 방사하는 출사광의 경로를 변경하기 위한 제1 회전부, 및 상기 스핀들 모터에 의해 상기 제1 회전부와 동기하여 회전하고 상기 반사광이 상기 수광부에 수신되도록 상기 반사광의 경로를 변경하기 위한 제2 회전부를 포함하여 구성될 수 있다. 따라서, 넓은 각도 범위에서 거리를 측정하는 장치의 구조를 단순화할 수 있게 된다.

Description

거리 측정 장치 {Distance measuring apparatus}

본 발명은 거리 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 넓은 각도 범위에서 거리를 측정하기 위한 거리 측정 장치의 구조에 관한 것이다.

노령 인구의 증가, 웰빙 열풍, 힘든 일 기피 현상 등으로 인해 로봇 청소기와 같은 가사 도우미 로봇에 대한 수요가 증가하고 서비스 로봇 시장이 성장세를 보이고 있다. 자율 주행을 전제로 하는 서비스 로봇은, 실내 구성물 환경을 인식하고 실내 지형 지도를 작성하고 장애물을 감지하고 자율적인 판단에 따라 이동해야 하므로, 거리 측정을 위한 거리 측정 센서를 포함하여 여러 센서를 채용한다.

거리를 측정하는 센서에는 적외선을 이용하는 적외선 센서, 초음파를 이용하는 초음파 센서, TOF 센서 등이 있다. 적외선 센서는 삼각 측량 원리에 따라 광원에서 방사한 적외선이 피측정물(거리 측정 대상물, 물체)의 표면에서 반사되어 입력되는 접속 광을 수신하여 출력 전류로 수광점을 계산할 수 있는 PSD(Position Sensitive Detector)를 이용하여 거리를 측정할 수 있다. 초음파 센서는 센서가 발사한 초음파 펄스가 피측정물의 표면에서 반사되어 다시 센서로 되돌아올 때까지의 시간을 측정하여 측정 대상에 대한 거리를 측정할 수 있다. TOF 센서는 매우 짧은 폭의 적외선 펄스를 방사하는 LED와 같은 광원과 물체에서 반사되는 반사광을 검출하기 위한 수광 센서로 구성되는데, 광원에서 방사된 광이 물체에서 반사되어 수광 센서로 돌아오는 시간을 측정하여 물체와의 거리를 계산할 수 있다.

도 1은 거리를 측정하기 위한 거리 측정 장치의 평면도를 도시한 것으로, 삼각 측량법을 이용하는 적외선 센서나 TOF 센서에 대한 것이다.

거리 측정 장치는 적외선이나 적외선 펄스를 방사하기 위한 발광부와 발광부가 방사한 적외선이 대상 물체에서 반사되어 되돌아오는 반사광을 검출하기 위한 수광부로 구성될 수 있다.

발광부는 가시광선 밖의 적외선을 발생하기 위한 레이저 다이오드와 같은 광원과 빔을 평행광으로 출력하기 위한 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens)로 구성될 수 있고, 수광부는 입사되는 빔을 일정 크기와 모양으로 출력하기 위한 수광 렌즈, 광원이 출사한 레이저 빔의 파장대를 수광하기 위한 밴드패스 필터(Bandpass Filter) 및 입사광을 검출하여 전기 신호로 출력하기 위한 디텍터(detector)로 구성될 수 있다. 삼각 측량법을 이용하는 거리 측정 장치의 디텍터는 피측정물의 위치에 따라 반사광이 맺히는 위치가 달라지고 그 위치를 이용하여 피측정물까지의 거리를 측정할 수 있다.

한편, 서비스 로봇은 이동을 전제로 하기 때문에, 장착되는 거리 측정 장치가 고정된 방향으로만 거리를 측정한다면 여러 방향으로 거리를 측정하기 위해 많은 개수의 거리 측정 장치를 필요로 한다. 이러한 점을 고려하여, 회전하면서 360도 또는 소정 각도 범위에서 거리를 측정하기 위한 거리 측정 장치가 개발되고 있다.

도 2는 종래 미러가 회전하면서 거리를 측정하는 거리 측정 장치의 구조를 도시한 것이다.

도 2의 거리 측정 장치는, 발광부와 수광부가 회전 축 상에 서로 마주 보도록 배치되고, 회전 축과 45도 각도의 반사면을 갖는 2개의 미러가 회전 축을 중심으로 회전하면서 발광부의 레이저 다이오드가 회전 축이 연장되는 방향으로 방사한 레이저 빔을 반사시켜 360도 모든 방향으로 광을 출사시키고 물체에서 반사되어 되돌아오는 반사광을 회전 축이 연장하는 방향으로 반사시켜 수광부의 디텍터에 맺히도록 하여, 디텍터에 맺히는 입사광에 의한 신호를 얻고, 이를 근거로 거리를 측정하는 구조이다.

모터에 의해 2개의 미러만 회전하고 나머지 부품은 고정되는데, 두 미러 모두 모터의 회전 축 위에 배치되어야 하고, 회전하지 않는 발광부와 수광부도 회전 축 위에 정확히 배치되어야 한다. 수광부는 PCB에 배치되므로 회전 축에 정렬하는 것이 큰 문제가 없지만, 발광부는 PCB와 떨어진 상태로 회전 축에 정렬시키기가 쉽지 않다.

또한, 미러를 모터에 의해 회전하는 몸체에 연결한 상태에서 발광부와 수광부 사이 빈 공간에서 정확히 회전 축 중심에서 회전시켜야 하는데, 높은 정밀도를 얻기가 쉽지 않다.

도 3은 종래 거리 검출 몸체가 회전하면서 거리를 측정하는 거리 측정 장치의 구조를 도시한 것이다.

도 3의 거리 측정 장치는, 도 1의 발광부와 수광부를 포함하는 거리 검출 몸체가 모터에 의해 회전하면서 레이저 빔을 방사하고 물체에서 반사되어 되돌아와서 디텍터에 맺히는 입사광에 의한 신호를 얻고 이를 회전하지 않고 고정된 메인 PCB에 전달하고 이를 근거로 거리를 측정하는 구조이다.

거리 검출 몸체는 외부에 장착된 모터의 회전력을 벨트를 통해 전달 받아 회전하는데, 회전하는 몸체와 모터 플레이트 사이에 베어링(Bearing)이 마련되어 회전 마찰을 줄이고 몸체가 일정한 궤도로 안정적으로 회전할 수 있도록 몸체를 고정된 모터 플레이트에 지지한다.

또한, 장치 중앙에 원통형으로 감은 인덕터 코일을 쌍(회전 인덕터 코일과 고정 인덕터 코일)으로 배치하여 메인 PCB로부터 회전하는 몸체에 무선으로 전원을 인가할 수 있도록 한다. 회전 몸체에 구성된 회전 PCB는 거리 검출 몸체가 얻은 거리와 관련된 신호를 LED를 통해 빛으로 바꾸어 장치 중앙에 마련된 통로를 통해 메인 PCB에 전달하고, 메인 PCB는 디텍터를 통해 이를 감지하여 거리 정보를 얻을 수 있다.

하지만, LED와 디텍터를 통해 회전하는 몸체에서 고정된 PCB에 신호를 전달해야 하기 때문에, 기구 구조가 복잡하고 장치 중앙에 통로를 마련해야 하는 구조적 제약이 있다. 즉, 이러한 제약에 따라 모터가 회전하는 몸체를 직접 구동하지 못하고 벨트를 통해 간접적으로 구동할 수 밖에 없고, 베어링을 통해 회전하는 몸체를 고정 플레이트에 지지시켜야만 한다.

또한, 벨트를 모터에 연결하여 몸체를 회전하도록 구동하므로, 벨트의 회전에 따라 소음이 발생하고, 벨트나 베어링의 내구성에 의해 제품 수명에 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 상황을 반영하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 넓은 각도 범위를 측정하는 거리 측정 장치를 단순하게 구성하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치는, 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부; 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위한 하나 이상의 셀을 포함하는 수광부; 스핀들 모터; 스핀들 모터에 의해 회전하고 발광부가 방사하는 출사광의 경로를 변경하기 위한 제1 회전부; 및 스핀들 모터에 의해 제1 회전부와 동기하여 회전하고 반사광이 수광부에 수신되도록 반사광의 경로를 변경하기 위한 제2 회전부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 제1 회전부는 출사광의 경로를 90도 변경하기 위한 제1 미러 및 한쪽이 발광부를 향해 개방되고 다른 쪽에 제1 미러가 배치되는 제1 경통을 포함하여 구성되고, 제2 회전부는 반사광의 경로를 90도 변경하기 위한 제2 미러 및 한쪽이 수광부를 향해 개방되고 다른 쪽에 제2 미러가 배치되는 제2 경통을 포함하여 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 미러와 제2 미러가 같은 방향을 향한 상태로 회전하도록 제1 경통과 제2 경통의 외주에 형성된 기어가 스핀들 모터의 회전 축에 형성된 기어에 맞물릴 수 있다.

일 실시예에서, 제1 경통과 제2 경통 중 적어도 어느 하나가 회전하면서 상하 운동하도록 적어도 어느 하나의 외주에 캠 패스가 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 회전부와 제2 회전부가 동기하여 회전하는 동안, 제1 미러에서 반사되는 출사광이 제2 회전부를 향한 방향으로 진행할 때 제1 미러가 가장 높은 위치에 놓이고 제1 미러에서 반사되는 출사광이 제2 회전부의 반대 쪽 방향을 향해 진행할 때 제1 미러가 가장 낮은 위치에 놓이도록 캠 패스가 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 미러가 제2 미러보다 더 높이 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 미러는, 출사광이 제1 미러에 진입하는 방향 및 출사광이 제1 미러에서 반사되어 진행하는 방향에 수직한 방향을 기준으로, 제2 미러보다 폭이 더 좁을 수 있다.

일 실시예에서, 제1 회전부와 제2 회전부가 스핀들 모터의 회전 축을 중심으로 대칭으로 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 회전부, 스핀들 모터의 회전 축 및 제2 회전부가 예각을 형성하도록 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 거리 측정 장치는 발광부, 수광부, 스핀들 모터, 제1 회전부 및 제2 회전부를 덮어 보호하기 위한 캡을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치는, 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부; 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위한 하나 이상의 셀을 포함하는 수광부; 스핀들 모터; 발광부가 방사하는 출사광의 경로를 90도 변경하고 반사광이 수광부에 수신되도록 반사광의 경로를 90도 변경하기 위한 미러와 발광부와 수광부를 향해 개방되고 다른 쪽에 미러가 배치되는 경통을 포함하는 회전부를 포함하여 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 발광부와 수광부 사이 거리는 경통의 지름보다 작을 수 있다.

따라서, 발광부, 수광부 및 2개의 미러를 회전 축 위에 정렬해야 하는 종래 회전 거리 측정 장치의 구조적인 제약을 극복할 수 있게 된다. 또한, 회전 몸체와 고정 몸체 사이에 무선으로 신호와 전원을 송수신해야 하는 구조를 사용하지 않고 단순한 구조로 넓은 각도 범위에서 거리를 측정할 수 있게 된다.

도 1은 거리를 측정하기 위한 거리 측정 장치의 평면도를 도시한 것이고,
도 2는 종래 미러가 회전하면서 거리를 측정하는 거리 측정 장치의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 종래 거리 검출 몸체가 회전하면서 거리를 측정하는 거리 측정 장치의 구조를 도시한 것이고,
도 4는 거리 검출부의 구성을 기능 블록 단위로 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정 장치의 구조를 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 상하 방향으로 움직이는 회전부를 도시한 것이고,
도 7a 내지 도 7c는 모터를 중심으로 대칭으로 배치되는 제1 및 제2 회전부가 회전할 때 광 출사면과 광 입사면이 같은 방향을 갖는 것을 도시한 것이고,
도 8은 광 출사면을 광 입사면보다 높게 형성하고 광 출사면의 폭을 광 입사면의 폭보다 좁게 형성하는 제2 실시예를 도시한 것이고,
도 9a 내지 도 9c는, 도 8의 제2 실시예에서, 제1 회전부, 모터 및 제2 회전부가 예각을 이룬 상태로 배치된 상태로 제1/제2 회전부가 동기하여 회전할 때, 광 출사면과 같은 방향을 갖는 광 입사면에 반사광이 입사되는 것을 도시한 것이고,
도 9d는, 도 8의 제2 실시예에서, 제1 회전부, 모터 및 제2 회전부가 예각을 이룬 상태로 배치된 상태로 제1/제2 회전부가 동기하여 회전할 때 소정 각도에서 물체에서 반사되는 반사광이 제1 회전부에 방해 받아 제2 회전부에 입사되지 않는 것을 도시한 것이고,
도 10은, 도 8의 제2 실시예에서, 제1 회전부, 모터 및 제2 회전부가 예각을 이룬 상태로 배치된 상태로 제1/제2 회전부가 동기하여 회전할 때, 거리 측정이 가능한 각도 범위와 거리 측정이 불가능한 각도 범위를 도시한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 4는 거리 검출부의 구성을 기능 블록 단위로 도시한 것이다.

도 4의 거리 검출부는, 넓은 각도 범위를 측정하는 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 적용되는데, 삼각 측량 방식과 TOF 방식으로 대상물의 거리를 측정하기 위하여 소정 폭의 적외선 펄스를 방사하기 위한 발광부(10), 발광부(10)가 방사하는 적외선이 대상물에서 반사되어 되돌아오는 반사광을 검출하기 위한 수광부(20) 및 수광부(20)의 출력 신호를 근거로 삼각 측량법 및/또는 TOF 방식으로 대상물까지의 거리를 계산하기 위한 프로세서(80)를 포함하여 구성될 수 있다.

발광부(10)는 적외선을 방사하는 LED와 같은 발광 모듈과 발광 모듈이 소정의 폭을 갖는 펄스 형태로 광을 출력하도록 구동하기 위한 구동부로 구성되는 광원(11) 및 광원(11) 전면에 방사할 광의 각도나 광의 강도 등을 조절하기 위한 광학계, 예를 들어 콜리메이터 렌즈(12)를 포함하여 구성될 수 있다.

수광부(20)는 입사되는 빔을 일정 크기와 모양으로 변형하기 위한 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)와 같은 수광 렌즈(21), 광원(11)이 출사한 광의 파장대만을 선택적으로 통과시키기 위한 필터(22) 및 반사광을 검출하기 위해 복수 개의 셀이 한 방향으로 나열된 수광 센서(23)를 포함하여 구성될 수 있다.

수광 센서(23)의 각 셀은, TOF 방식으로 거리를 측정할 수 있도록, 광원(11)이 방사하는 적외선 펄스와 동기하여(Phase 1) 반사광을 수신하고 또한 광원(11)이 방사하는 적외선 펄스와 180도의 위상차를 갖고(Phase 2) 반사광을 수신하여, Phase 1에 대한 전기 신호 V1과 Phase 2에 대한 전기 신호 V2를 출력할 수 있다.

프로세서(80)는, 수광 센서(23)의 셀들로부터 출력되는 전기 신호를 이용하여 출사광을 반사시키는 대상물의 거리를 계산하는데, 수광 센서(23)에 입사되는 입사광이 맺히는 것을 가리키는 전기 신호를 출력하는 셀들의 분포(전기 신호의 강도와 전기 신호를 출력하는 셀들의 구간)를 이용하여 맺히는 입사광의 중심점이 위치하는 셀 또는 신호 레벨이 가장 높은 최대값이 위치하는 셀을 찾고, 해당 셀 또는 해당 셀을 포함하는 주위 셀들이 출력하는 신호를 이용하여 TOF 방식으로 거리를 계산할 수 있다.

즉, 프로세서(80)는, 수광 센서(23)의 셀들이 출력하는 Phase 1에 대한 전기 신호 V1과 Phase 2에 대한 전기 신호 V2를 기초로 TOF 방식에 따라 출사광이 반사광으로 수광 센서(23)에 맺힐 때까지의 시간을 계산하여 대상물까지의 거리를 계산할 수 있다. 또는, 프로세서(80)는, 입사광이 맺히는 셀의 위치를 근거로 삼각 측량 방식에 따라 대상물까지 거리를 계산할 수 있다. 또는, 프로세서(80)는, 삼각 측량 방식과 TOF 방식을 서로 연계하여 거리를 측정할 수도 있다.

거리 측정 장치가 넓은 각도 범위 또는 360도 각도 범위에서 거리를 측정하기 위해서는, 도 2나 도 3과 같이 발광부와 수광부를 가상으로 연결하는 회전 축을 중심으로 미러를 회전시키거나 또는 거리 검출부를 회전시키고 무선으로 거리 검출부와 메인 메인 PCB 사이에 전원과 신호를 주고 받아야 한다. 하지만, 앞서 언급한 것과 같이, 복수 개의 구성 요소를 회전 축에 정밀도 높게 정렬시키는 것이 쉽지 않고, 회전하는 몸체에 전원과 신호를 무선으로 인출하기 위한 구조가 복잡해지는 문제가 있다.

본 발명에서는, 넓은 각도 범위에서 거리를 측정하기 위한 거리 측정 장치의 구조를 단순화하기 위하여, 발광부와 수광부는 회전시키지 않고 고정하고, 출사광과 입사광의 경로를 변경하기 위한 2개의 미러를 각각 회전시키되 서로 동기하여 출사광의 출사와 반사광의 입사가 같은 방향을 향하도록(정확히는 서로 180도가 되도록) 하나의 모터에 연결하여 회전시킬 수 있다.

또한, 미러가 회전하면서 광의 출사 경로와 입사 경로가 겹치는 문제를 해결하기 위하여, 광 출사를 위한 부품 또는 광 입사를 위한 부품 중 하나를 회전시킬 때 상하 방향으로 움직이도록 하여, 광의 출사 경로와 입사 경로가 겹칠 때 출사광을 위한 미러가 입사광을 위한 미러보다 높게 또는 낮게 위치하도록 할 수 있다.

또한, 광 출사 또는 광 입사를 위한 부품을 상하 운동시키지 않고 360도 전체 각도 범위가 아닌 일부 각도 범위에서만 거리를 측정할 수도 있는데, 이 경우에도 거리 측정이 가능한 각도 범위를 넓히기 위해 출사광을 위한 미러를 입사광을 위한 미러보다 높게 배치하고 출사광을 위한 미러의 폭을 입사광을 위한 미러 폭보다 좁게 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정 장치의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

도 5의 거리 측정 장치(1)는, 거리 검출을 위해 장치의 바닥 면에 장착되어 위쪽을 향하도록 배치되는 발광부(10)와 수광부(20)로 구성되는 거리 검출부, 스핀들 모터(30), 한쪽(장치의 바닥 면을 향하는 쪽)은 발광부(10)를 향해 열려 있고 반대 쪽은 발광부(10)의 출사광의 경로를 변경하기 위한 제1 미러(42)가 장착된 제1 경통(41)을 포함하는 제1 회전부(40), 한쪽은 수광부(20)를 향해 열려 있고 반대 쪽은 물체에서 반사되어 되돌아오는 반사광이 수광부(20)의 수광 센서로 향하도록 반사광의 경로를 변경하기 위한 제2 미러(52)가 장착된 제2 경통(51)을 포함하는 제2 회전부(40)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 5의 거리 측정 장치(1)는 거리 검출부, 모터(30), 제1 회전부(40) 및 제2 회전부(50)를 덮어 외부 충격이나 먼지로부터 보호하기 위한 캡(또는 커버)(60)을 더 포함할 수 있는데, 캡(60)은 발광부(10)가 방사하는 출사광이 통과하고 물체로부터 반사되는 반사광이 입사되는 소정 범위의 영역(소정 길이의 360도 띠 영역)만 투명한 창을 형성하고, 나머지 영역은 불필요한 잡광이 들어오지 않도록 불투명하게 처리할 수 있다.

모터(30)의 회전 축, 제1 경통(41)의 외경 및 제2 경통(51)의 외경에는 각각 기어(미도시)가 형성되고, 모터(30) 회전 축의 기어와 제1 경통(41)의 기어 및 모터(30) 회전 축의 기어와 제2 경통(51)의 기어가 각각 서로 맞물려, 제1 회전부(40)와 제2 회전부(50)가 서로 동기하여 회전할 수 있다.

제1 미러(42)는, 제1 경통(41)의 상부에 수평(또는 수직)을 기준으로 45도 각도로 장착되어, 장치의 바닥 면에 장착된 발광부(10)의 광원이 방사하여 제1 경통(41) 내부를 통과하여 수직으로 위를 향하여 진행하는 출사광의 경로를 90도 꺾어 수평 방향으로 진행하도록 한다.

제2 미러(52)는, 제2 경통(51)의 상부에 수평(또는 수직)을 기준으로 45도 각도로 장착되어, 물체에서 반사되어 수평 방향으로 입사되는 반사광의 경로를 90도 꺾어 수직으로 아래를 향하도록 하여 반사광이 제2 경통(51)의 내부를 통과하여 장치의 바닥 면에 장착된 수광부(20)의 수광 센서(23)에 진입하도록 한다.

제1 경통(41)과 제2 경통(51)의 아래 쪽에 미러가 추가로 장착되어 경로를 추가로 변경하여, 발광부(10)와 수광부(20)가 바닥 면에 수직이 아니라 수평 방향으로 장착될 수도 있다.

제1 회전부(40)와 제2 회전부(50)가 스핀들 모터(30)에 의해 동기하여 회전하기 위해서, 제1 경통(41)와 제2 경통(51)에서 기어가 형성되어 스핀들 모터(30)의 기어에 맞물리는 부분의 외경은 서로 같아야 한다.

제1 회전부(40)와 제2 회전부(50)가 동기하여 회전하는 것은 제1 미러(42)의 출사면(43)과 제2 미러(52)의 입사면(53)이 항상 같은 방향을 향하는 것 또는 서로 평행한 것을 의미하는데, 여기서 출사면(43)은 발광부(10)의 출사광이 제1 미러(42)에 의해 경로가 변경되어 수평 방향으로 진행할 때 진행 방향에 수직인 평면을 가리키고, 입사면(53)은 반사광이 제2 미러(52)에 진입하는 방향에 수직인 평면을 가리킨다.

도 5에서 제1 회전부(40)와 제2 회전부(50)는 스핀들 모터(30)의 회전 축을 중심으로 대칭으로 배치된다.

도 6은 상하 방향으로 움직이는 회전부를 도시한 것이다.

출사광을 위한 미러와 입사광을 위한 미러가 동기하여 회전할 때 광의 출사 경로와 입사 경로가 서로 겹치는 각도가 생긴다. 즉, 제1 미러(42)에서 반사되어 수평 방향으로 진행하는 출사광이 제2 미러(52)를 향하는 경우와 제1 미러(42)에서 반사되어 수평 방향으로 진행하는 출사광이 제2 미러(52)와 반대 방향으로 향하여 제2 미러(52)를 향해 진행하는 입사광이 제1 미러(42)를 향하는 경우가 발생한다.

이러한 경우에 제1 미러(42)와 제2 미러(52)가 같은 높이에 있다면, 출사광이 제2 미러(52)에 의해 차단되어 외부로 방사되지 않거나 입사광이 제1 미러(42)에 의해 차단되어 제2 미러(52)에 입사되지 않는다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 제1 회전부(40)와 제2 회전부(50) 중 적어도 하나가 회전할 때 상하 방향으로 움직이도록 하여, 광의 출사 경로와 입사 경로가 서로 겹치는 각도일 때 제1 미러(42)와 제2 미러(52)의 높이가 달라지게 하여 출사광과 입사광의 경로를 차단하지 않도록 할 수 있다.

도 6에서는 출사광을 위한 제1 경통(41)의 외경에 캠 패스(Cam Path)(70)를 형성하고, 캠 패스(70)가 고정된 돌출부 또는 보스(미도시)에 맞물리도록 하여, 제1 경통(41)이 회전하면서 상하 운동하도록 할 수 있다. 즉, 제1 미러(42)에 의해 경로가 수평 방향으로 바뀐 출사광이 제2 미러(52)를 향하여 진행할 때 제1 미러(42)가 제2 미러(52)보다 높게 되도록 하고, 제1 미러(42)에 의해 경로가 수평 방향으로 바뀐 출사광이 제2 미러(52)가 놓인 위치와 정반대 방향으로 진행할 때 제1 미러(42)가 제2 미러(52)보다 낮게 되도록, 캠 패스를 제1 경통(41) 및/또는 제2 경통(51)의 외경에 형성할 수 있다.

도 7a 내지 도 7c는 모터를 중심으로 대칭으로 배치되는 제1 및 제2 회전부가 회전할 때 광 출사면(43)과 광 입사면(53)이 같은 방향을 갖는 것을 도시한 것이다.

도 7a는, 제1 회전부(40)와 제2 회전부(50)가 동기하여 회전하면서 제1 미러(42)의 출사면(43)과 제2 미러(52)의 입사면(53)이 제1 회전부(40), 스핀들 모터(30), 제2 회전부(50)이 일렬로 나열된 방향과 다른 방향을 향한 경우로, 출사광과 입사광이 제2 미러(52)와 제1 미러(42)에 의해 차단되지 않기 때문에, 제1 미러(42)와 제2 미러(52)의 높이를 같게 해도 상관 없다.

하지만, 도 7b와 7c는, 제1 회전부(40)와 제2 회전부(50)가 동기하여 회전하면서 제1 미러(42)의 출사면(43)과 제2 미러(52)의 입사면(53)(또는 출사광과 입사광의 수평 방향으로 진행 방향)이 제1 회전부(40), 스핀들 모터(30), 제2 회전부(50)이 일렬로 나열된 방향과 같은 경우(또는 서로 180도인 경우)로, 출사광과 입사광이 제2 미러(52)와 제1 미러(42)에 의해 차단되지 않도록, 캠 패스(70)를 제1 경통(41) 또는 제2 경통(51)에 형성하여 제1 미러(42)를 제2 미러(52)보다 높거나 낮게 위치하도록 할 수 있다.

도 8은 광 출사면을 광 입사면보다 높게 형성하고 광 출사면의 폭을 광 입사면(53)의 폭보다 좁게 형성하는 제2 실시예를 도시한 것이다.

360도 전체 각도 범위에서 거리 측정할 필요가 없는 경우, 제1 회전부(40) 또는 제2 회전부(50) 중 하나의 외경에 캠 패스를 형성하여 회전하면서 상하 방향으로 움직이게 할 필요가 없다. 대신 광 출사면(43)을 광 입사면(53)보다 높게 형성하거나 또는 광 출사면(43)을 광 입사면(53)보다 낮게 형성하여, 일부 각도 범위에서만 거리를 측정할 수 있다.

광 출사면(43)을 광 입사면(53)보다 높게 형성하는 경우 출사광이 제2 회전부(50)의 반대 쪽을 향하는 각도를 중심으로 소정 각도 범위는 거리 측정을 할 수 없고, 광 출사면(43)을 광 입사면(53)보다 낮게 형성하는 경우 출사광이 제2 회전부(50) 쪽을 향하는 각도를 중심으로 소정 각도 범위는 거리 측정을 할 수 없다.

예를 들어 광 출사면(43)을 광 입사면(53)보다 높게 형성한 경우(또는 제1 미러(42)를 제2 미러(52)보다 높게 배치하는 경우)에 거리를 측정할 수 없는 각도 범위를 줄이기 위해서, 도 8과 같이 광 출사면(43)의 폭(A')을 광 입사면(53)의 폭(A)보다 좁게 할 수 있다.

이는 출사광이 제1 미러(42)에서 방향을 변경하여 수평 방향으로 진행하는 방향을 제1 회전부(40)에서 제2 회전부(50)로 진행하는 제1 방향과 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 나누어, 출사광 진행 방향의 제1 방향으로의 벡터 성분의 값이 마이너스 값이고 제2 방향으로의 벡터 성분의 값이 0이 아닐 때, 즉 출사광이 제2 회전부(50)와 정반대 방향은 아니지만 출사광이 제2 회전부(50)와 반대 방향 쪽으로 진행할 때, 제1 미러(42)가 물체에서 반사되어 제2 미러(52)를 향해 진행하는 입사광을 방해하는 각도 범위를 줄이기 위함이다.

도 9a 내지 도 9c는, 도 8의 제2 실시예에서, 제1 회전부, 모터 및 제2 회전부가 예각을 이룬 상태로 배치된 상태로 제1/제2 회전부가 동기하여 회전할 때, 광 출사면(43)과 같은 방향을 갖는 광 입사면(53)에 반사광이 입사되는 것을 도시한 것이다.

도 9에서, 스핀들 모터(30)에 연결되어 서로 동기하여 회전하는 제1 회전부(40)와 제2 회전부(50)가 스핀들 모터(30)를 중심으로 대칭으로 배치되는 도 5와는 달리, 제1 회전부(40), 스핀들 모터(30) 및 제2 회전부(50)가 예각을 이룬 상태로 배치되어 있다.

도 5의 배치에서, 제1 회전부(40)와 제2 회전부(50)가 스핀들 모터(30)의 회전 축, 즉 원형 커버(60)의 중심을 지나는 지름 위에 배치되므로, 제1 회전부(40)의 중심, 원형 커버(60)의 한 점, 제2 회전부(50)의 중심이 정확하지는 않지만 약 90도의 각도(실제로는 90도보다는 작음)를 이루게 된다.

따라서, 출사면(43)과 입사면(53)이 0도부터 360도 어느 각도가 되더라도, 제1 미러(42)의 출사면(43)에서 나온 출사광의 일부가 커버(60)에서 반사되어 제2 미러(52)의 입사면(53)으로 바로 진행하여 수광부(20)에 잡광으로 맺혀 거리 측정에 에러를 일으킬 수 있다.

하지만, 도 9와 같이 제1 회전부(40), 스핀들 모터(30) 및 제2 회전부(50)가 예각을 이루도록 배치하면, 제1 회전부(40), 제1 미러(42)의 출사면(43)에서 나온 출사광이 커버(60)과 만나는 점, 및 제2 회전부(50)가 이루는 각도가 90도보다 훨씬 작은 예각이 되어, 제1 미러(42)의 출사면(43)에서 나온 출사광의 일부가 커버(60)에서 반사되더라도 제2 미러(52)의 입사면(53)으로 진행하지 않을 가능성이 높아진다. 따라서, 발광부(10)에서 방사되는 출사광이 커버(60)에서 반사되어 바로 수광부(20)로 진입하는 문제를 해결할 수 있다.

한편, 도 9a에서, 출사면(43)과 입사면(53)이 수평 라인을 기준으로 약 50도 정도를 향해 있는데, 이 각도가 제1 미러(42)의 출사면(43)에서 나와 물체에서 반사되는 반사광이 제1 미러(42)에 방해 받지 않고 제2 미러(52)의 입사면(53)에 진입하게 되는 최소 각도에 해당한다.

도 9b에서, 출사면(43)과 입사면(53)이 약 180도 정도를 향하는데, 제1 미러(42)가 제2 미러(52)보다 높게 배치되기 때문에, 제1 미러(42)의 출사면(43)에서 나와 물체에서 반사되는 반사광이 제1 미러(42)에 방해 받지 않고 제2 미러(52)의 입사면(53)에 진입할 수 있다.

도 9c에서, 출사면(43)과 입사면(53)이 수평 라인을 기준으로 약 -50도(또는 310도) 정도를 향해 있는데, 이 각도가 제1 미러(42)의 출사면(43)에서 나와 물체에서 반사되는 반사광이 제1 미러(42)에 방해 받지 않고 제2 미러(52)의 입사면(53)에 진입하게 되는 최대 각도에 해당한다.

거리 측정을 가능하게 하는 도 9a의 최소 각도를 줄이고 도 9c의 최대 각도를 키우기 위해, 도 8과 같이 제1 미러(42)의 출사면(43)의 폭(A')을 줄이는 것이다.

여기서 출사면(43)의 폭(A')은 발광부(10)에서 방사되어 제1 미러(42)를 향해 수직으로 상승하는 제1 방향 및 제1 미러(42)에 의해 90도 반사되어 수평 방향으로 진행하는 제2 방향 모두에 수직인 방향을 기준으로 하는 거리이다.

도 9d는, 도 8의 제2 실시예에서, 제1 회전부, 모터 및 제2 회전부가 예각을 이룬 상태로 배치된 상태로 제1/제2 회전부가 동기하여 회전할 때 소정 각도에서 물체에서 반사되는 반사광이 제1 회전부에 방해 받아 제2 회전부에 입사되지 않는 것을 도시한 것이다.

도 9d에서, 출사면(43)과 입사면(53)이 수평 라인을 기준으로 0도를 향해 있는데, 제1 미러(42)가 제2 미러(52)보다 높게 배치되기 때문에, 제1 미러(42)의 출사면(43)에서 나와 물체에서 반사되는 반사광이 제1 미러(42)에 방해 받아 제2 미러(52)의 입사면(53)에 진입하지 않게 된다.

도 10은, 도 8의 제2 실시예에서, 제1 회전부, 모터 및 제2 회전부가 예각을 이룬 상태로 배치된 상태로 제1/제2 회전부가 동기하여 회전할 때, 거리 측정이 가능한 각도 범위와 거리 측정이 불가능한 각도 범위를 도시한 것이다.

도 9d와 같이 출사면(43)과 입사면(53)이 수평 라인을 기준으로 0도일 때 그리고 그 부근 +/- 50도 이내 범위(약 100도 범위)에서 반사광이 제1 미러(42)에 방해 받아 제2 미러(52)의 입사면(53)에 진입하지 않고, 거리 측정을 할 수 없다. 나머지 260도 범위에서 거리 측정이 가능하다.

한편, 본 발명의 다른 실시예로, 제1 회전부(40)와 제2 회전부(50)를 따로 두지 않고, 상부에 미러가 장착된 하나의 회전부만 마련하여 회전시키고, 회전부의 경통 아래에 경통 지름보다 좁은 간격으로 발광부(10)와 수광부(20)를 배치하여(즉 발광부(10)와 수광부(20) 사이 거리를 경통의 지름보다 작게 하여), 회전하는 하나의 미러를 통해 발광부(10)에서 수직으로 위로 출사되는 출사광의 경로를 바꾸어 360도 범위에서 수평 방향으로 진행시키고 360도 범위에서 수평 방향으로 진입하는 입사광의 경로를 바꾸어 수직으로 아래로 진행시켜 수광부(20)에 진입하게 할 수도 있다.

이와 같이, 2개의 회전 및 상하 동작이 가능한 회전부를 채용하여 광 경로가 겹치지 않도록 구성하여, 무선으로 전력과 신호를 송수신하는 구조를 제거함으로써, 구조를 단순하게 할 수 있게 된다. 또한, 제1 회전부와 제2 회전부의 위치를 변경하여 커버에서 출사광이 반사되어 발생하는 오류를 줄일 수 있게 된다.

이상 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 다양한 다른 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

1: 회전 거리 측정 장치 10: 발광부
11: 광원 12: 콜리메이트 렌즈
20: 수광부 21: 수광 렌즈
22: 필터 23: 수광 센서
30: 모터 40: 제1 회전부
41: 제1 경통 42: 제1 미러
43: 출사면 50: 제2 회전부
51: 제2 경통 52: 제2 미러
53: 입사면 60: 캡
70: 캠 패스 80: 프로세서

Claims (12)

1. 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부;
   상기 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위한 하나 이상의 셀을 포함하는 수광부;
   스핀들 모터;
   상기 스핀들 모터에 의해 회전하고 상기 발광부가 방사하는 출사광의 경로를 변경하기 위한 제1 회전부; 및
   상기 스핀들 모터에 의해 상기 제1 회전부와 동기하여 회전하고 상기 반사광이 상기 수광부에 수신되도록 상기 반사광의 경로를 변경하기 위한 제2 회전부를 포함하여 구성되는 거리 측정 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 회전부는, 상기 출사광의 경로를 90도 변경하기 위한 제1 미러 및 한쪽이 상기 발광부를 향해 개방되고 다른 쪽에 상기 제1 미러가 배치되는 제1 경통을 포함하여 구성되고,
   상기 제2 회전부는, 상기 반사광의 경로를 90도 변경하기 위한 제2 미러 및 한쪽이 상기 수광부를 향해 개방되고 다른 쪽에 상기 제2 미러가 배치되는 제2 경통을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 미러와 제2 미러가 같은 방향을 향한 상태로 회전하도록 상기 제1 경통과 제2 경통의 외주에 형성된 기어가 상기 스핀들 모터의 회전 축에 형성된 기어에 맞물리는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
4. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 경통과 제2 경통 중 적어도 어느 하나가 회전하면서 상하 운동하도록 상기 적어도 어느 하나의 외주에 캠 패스가 형성되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 회전부와 제2 회전부가 동기하여 회전하는 동안, 상기 제1 미러에서 반사되는 출사광이 상기 제2 회전부를 향한 방향으로 진행할 때 상기 제1 미러가 가장 높은 위치에 놓이고 상기 제1 미러에서 반사되는 출사광이 상기 제2 회전부의 반대 쪽 방향을 향해 진행할 때 상기 제1 미러가 가장 낮은 위치에 놓이도록 상기 캠 패스가 형성되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
6. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 미러가 상기 제2 미러보다 더 높이 배치되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
7. 제2 항 또는 제6 항에 있어서,
   상기 제1 미러는, 상기 출사광이 상기 제1 미러에 진입하는 방향 및 상기 출사광이 상기 제1 미러에서 반사되어 진행하는 방향에 수직한 방향을 기준으로, 상기 제2 미러보다 폭이 더 좁은 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 회전부와 제2 회전부가 상기 스핀들 모터의 회전 축을 중심으로 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 회전부, 상기 스핀들 모터의 회전 축 및 상기 제2 회전부가 예각을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 발광부, 수광부, 스핀들 모터, 제1 회전부 및 제2 회전부를 덮어 보호하기 위한 캡을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
11. 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부;
    상기 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위한 하나 이상의 셀을 포함하는 수광부;
    스핀들 모터;
    상기 발광부가 방사하는 출사광의 경로를 90도 변경하고 상기 반사광이 상기 수광부에 수신되도록 상기 반사광의 경로를 90도 변경하기 위한 미러와 상기 발광부와 수광부를 향해 개방되고 다른 쪽에 상기 미러가 배치되는 경통을 포함하는 회전부를 포함하여 구성되는 거리 측정 장치.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 발광부와 수광부 사이 거리는 상기 경통의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.

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