KR970003746B1

KR970003746B1 - 레이저 세기 자동 조절 시스템

Info

Publication number: KR970003746B1
Application number: KR1019930011676A
Authority: KR
Inventors: 김성배; 김선태; 박승옥
Original assignee: 기아정보시스템 주식회사; 송병남
Priority date: 1993-06-25
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 1997-03-21
Also published as: KR950002132A

Abstract

요약없슴

Description

레이저 세기 자동 조절 시스템

제1도는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 세기 자동 조절 시스템이 구비되어 있는 광변조식 거리 측정장치의 블록 구성도이다.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 광신호처리 흐름도이다.

제3도는 종래의 레이저 세기 자동 조절 시스템이 구비되어 있는 광변조식 거리 측정장치의 구성 블록도이다.

제4도는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 세기 자동 조절 시스템의 주요부 상세블록도이다.

제5도는 입력변조주파수의 세기에 따른 출력변조주파수의 변화 및 최대정격출력범위을 나타낸 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 온도보상용발진기2 : 자동세기조절장치

3 : 광원(레이저)구동부4 : 레이저다이오드

5 : 조준렌즈부6 : 광분할기

7 : 광집속렌즈8 : 광로선택기

9 : 내부광로용 반사체10 : 외부광로용 반사체

11 : 광로선택기 구동용 모터12 : 광검출기

13: 위상검출부14 : A/D변환기

15 : CPU부16 : 표시부

17 : D/A변환기18 : 뉴트럴-덴시티-필터(농도필터)

19 : ND필터구동용 모터20,fo : 원발진주파수

21,Vp : 변조주파수입력22 : 신호처리기

23 : 증폭기Vd : DC레벨신호

fod : 레이저다이오드발진 변조광의 세기신호

ft : 외부반사신호fm : 내부반사신호

fr : 기준신호

Vt : 외부광로신호(기준신호 fr과 위상비교하여 얻은 외부반사신호의 위상차)

Vm : 내부광로신호(기준신호 fr과 위상비교하여 얻은 내부반사신호의 위상차)

본 발명은 레이저 세기 자동 조절 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 말하자면 레이저의 세기를 강약으로 변조하여 피측정물에 보내어 되돌아오는 반사광의 위상을 측정하는 광변조식 거리측정장치에서 측정거리가 멀어지거나 기상조건에 악영향을 받아 반사광의 세기가 약해짐으로서 유발되는 오차를 보상할 수 있는 레이저 세기 자동 조절 시스템에 관한 것이다.

일반적인 광변조식 거리 측정장치의 거리 측정원리는 다음과 같다.

세기가 변조된 레이저 광을, 거리 D만큼 떨어진 곳에 설치된 반사경에 발사시키면, 반사되어 돌아오는 반사광의 위상은 거리 D에 따라 달라지게 된다. 즉, 변조광의 파장이 λ일때, 기준이 되는 발사광에 대한 반사광의 위상차 ΔΦ는 거리 D와 다음과 관계를 갖게 된다.

D = (N+ΔΦ)λ/2 .................................................................. (1)

여기서, N은 양의 정수로서 총 진행된 파장의 배수를 나타내고, ΔΦ는 한파장미만의 나머지를 나타낸다.

이때, 한가지 주파수를 갖는 변조광만으로는 N을 측정할 수 없으므로 두가지 이상의 주파수를 사용하여 N과 ΔΦ를 측정한 후, 상기의 식(1)에 의해 거리를 구할 수 있다.

상기와 같이 광변조식 거리 측정장치에서는, 레이저에서 발사되어 외부경로를 통해 측정지점까지 진행했다가 다시 반사되어 장치내부로 들어온 반사광을 광검출기로 받아들여서 전기신호로 변환시킨 후에, 여러 기능의 전자회로를 거치면서 기준신호에 대한 위상차를 정확하게 측정하는 기술이 주가 된다.

그런데 이렇게 측정된 위상차는 레이저광이 진행된 거리에 따른 위상차 ΔΦ만이 아니라 전자회로에 의한 위상지연 ΔΦ'이 합해지게 된다. 이러한 위상지연은 레이저의 발산각정도, 분진, 온도, 습도등의 대기상태의 변화등에 의해 반사광의 세기가 달라지면 일정치 않게 되므로, 측정을 할 때마다 위상지연이 보상되어야 한다.

이를 위하여 일반적으로 장치내부에 별도로 임의의 내부광로 d를 설정하여 레이저광의 일부를 진행시키고 반사되어 돌아오는 광이 광검출기로 입사되도록 하고 있다.

내부반사광과 외부반사광을 순차적으로 광검출기에서 받아들여서 동일한 전자회로를 거쳐 위상차를 측정하면 내부반사광의 위상차는 ΔΦ(내부)+ΔΦ'이 되고 외부반사광의 위상차는 ΔΦ + ΔΦ"이 된다. 여기서, 두 광의 세기가 같다면 ΔΦ = ΔΦ"이 된다. 따라서, 두 위상차의 차를 구하면 전자회로에 의한 위상지연은 서로 상쇄되고 이로부터 두 광로의 거리차(D-d)를 구할 수 있다.

그런데, 내부반사광은 항상 일정한 세기가 유지되고 외부반사광은 측정거리 및 대기상태에 따라 변화하게 되므로, 실제로 측정장치에서는 외부반사광의 세기변화에 따라 내부반사광의 세기를 조절해 줄 수 있는 기술 및 장치가 반드시 필요하다.

종래의 거리측정장치에서는 제3도에 도시한 기본구성도와 같이 내부광로상에 뉴트럴-덴시티-필터(Neutral Density Filter; 농도필터)를 설치하여 광검출기에 입사되는 내부광의 세기를 자동으로 조절하여 주었다.

이하, 첨부된 제3도를 참조로 하여 종래의 레이저 세기 자동 조절 시스템에 대하여 설명하기로 한다.

제3도는 종래의 레이저 세기 자동 조절 시스템이 구비되어 있는 광변조식 거리 측정장치의 블록구성도이다.

제3도에 도시되어 있는 바와 같이 종래의 레이저 세기 자동 조절 시스템이 구비되어 있는 광변조식 거리 측정장치의 구성은, 기본적으로, 광학계로는 온도보상용 발진기(1), 광원(레이저 다이오드) 구동부(3), 레이저 다이오드(4), 광분할기(6), 광로 선택기(8), 반사경(9,10), 광검출기(12), 뉴트럴-덴시티-필터(18)등으로 이루어지고, 전자계로는 반사신호를 기준신호와 비교처리하는 위상검출부(13), 위상비교한 신호를 디지탈로 변환하는 A/D변환기(14), 데이타의 저장과 연산 및 비교처리하는 CPU부(15), 데이타출력부(16), 광로선택기 구동용 모터(11), 뉴트럴-덴시티-필터 구동용 모터(19)등으로 이루어진다.

상기한 바와 같이, 뉴트럴-덴시티-필터(18)를 이용한 종래의 레이저 세기 자동 조절 시스템의 동작은 다음과 같이 이루어진다.

CPU부(15)는, 광로선택기 구동용 모터(11)를 제어함으로써 광로 선택기(8)로 외부광로를 선택하여 외부 반사광의 세기인 외부 반사신호(ft)를 측정한 후, 다시 광로선택기(8)로 내부광로를 선택하여 내부 반사광의 세기인 내부 반사신호(fm)를 측정한다. 이때, CPU부(15)는 내부 반사신호(fm)가 외부 반사신호(ft)와 동일한 세기로 광검출기(12)로 입사되도록 뉴트럴-덴시티-필터구동용 모터(19)를 제어하여 뉴트럴-덴시티-필터(18)를 구동시킨다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 레이저 세기 자동 조절 시스템은, 데이타검출 응답속도가 뉴트럴-덴시티-필터(18)를 구동시키는 뉴트럴-덴시티-필터구동용 모터(19)의 로테이션-스테이지(Rotation Stage)의 회전특성에 의해 결정되고, 뉴트럴-덴시티-필터 구동용 모터(19)의 구동에 따른 기계적 오차가 발생될 우려가 크므로 측정속도 및 정밀도를 유지하기 위하여는 고도의 기술을 요하게 되는 문제점이 있다.

또한, 상기한 종래의 레이저 세기 자동 조절 시스템은, 내부광로상에 뉴트럴-덴시티-필터(18) 및 뉴트럴-덴시티-필터구동용 모터(19)를 장착해야 하는 시스템전체의 부피가 커지는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점 및 단점을 해소하기 위한 것으로서, 광세기조절용 광학소자인 뉴트럴-덴시티-필터(18) 및 뉴트럴-덴시티-필터구동용모터(19) 대신에 CPU부(15)의 디지탈신호를 아날로그신호로 바꾸어 주는 D/A변환기(17)와 자동세기조절장치(2)를 부가시킴으로서 종래의 거리측정장치에서 광세기조절용 광학소자를 사용하지 않아 응답속도가 빨라질 수 있어 실시간 거리측정이 가능할뿐 아니라 광학소자의 소형화를 이룰수 있는 자동세기조절장치(2)를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 구성은, --이루어진다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에서는 제1도에 도시되어 있는 종래의 레이저 세기 자동 조절 시스템이 구비되어 있는 광변조식 거리 측정장치와 구성이 동일한 부분은 동일한 부호를 사용하여 표현하였다.

제1도에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 레이저 세기 자동 조절 시스템이 구비되어 있는 광변조식 거리 측정장치의 구성은, 원발진주파수(fo)를 발생하는 온도보상용 발진기(1)와, CPU부(15)로부터 비교연산되고 D/A변환기(17)를 통한 DC레빌신호(Vd)와 온도보상용 발진기(1)에서 발생된 원발진주파수(fo)를 합쳐 변조주파수입력(Vp)를 발생시켜 레이저광의 출력세기를 조절하는 자동세기조절장치(2)와, 변조주파수입력(Vp)를 이용하여 레이저다이오드 발진 변조광의 세기신호(fod)를 발생시켜 출력하는 광원구동부(3)와, 상기한 광원 구동부(3)의 출력단에 입력단이 연결되어 있는 레이저 다이오드(4)와, 레이저광의 발산각을 줄여 직진성을 높인 평행광으로 만드는 조준렌즈부(5)와, 광분할기(6)와, 광분할기(6)에 도달된 반사광을 광검출기(12)로 집속하는 광집속렌즈(7)와, 광로 선택기(8)와, 반사경(9,10)과, 광검출기(12)와, 반사신호를 기준신호와 비교처리하는 위상검출부(13)와, 위상비교한 신호를 디지탈로 변환하는 A/D변환기(14)와, 데이타의 저장과 연산 및 비교처리를 수행하는 CPU부(15)와, 데이타 출력부(16)와, 광로선택기 구동용 모터(11)등으로 이루어진다.

상기한 구성에 의한 본 발명의 실시예에 따른 레이저 세기 자동 조절 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 동작 흐름도로서 시스템의 전체적인 흐름을 도시하였다.

먼저, 시스템의 작동을 위하여 전원을 입력하면, CPU부(15)내에서 외부반사신호(ft)만이 광검출기(12)에 입사되도록 광로선택기(8)에 신호를 보내고, 이와 동시에 광원인 레이저다이오드(4)에는 D/A변환부(17)를 거쳐 최대정격 출력레벨에 준한 DC레벨신호(Vd)를 만들어 자동세기조절장치(2)의 DC입력신호부 II를 보냄으로써(제4도 참조) 레이저광이 출력되도록 한다.

이때, 온도보상용 발진기(1)의 원발진주파수(fo)가 함께 광원구동부(3)에 보내어져 광원인 레이저다이오드(4)에 광의 세기를 강약으로 변조시켜 발진하게 된다.

상기한 레이저광은 직진성을 높이고 발산각을 조절시키기 위한 조준렌즈부(5)를 투과하여, 광분할기(6)를 거치면서 내부광로신호(Vm)와 외부광로신호(Vt)로 분할이 된다. 이때, 이미 광로선택기(8)가 내부광로를 막고 있기 때문에 피측정물로 향하는 외부광로신호(Vt)만이 직진하게 된다. 직진한 레이저광은 피측정물에 부착된 반사체에서 반사되어, 다시 광분할기(6)에 도달되어 반사한 광이 광집속렌즈(7)를 통과해 광검출기(12)로 집속되어 전기신호로 변환됨으로써 외부반사신호(ft)가 된다.

이 외부반사신호(ft)를 기준신호(fr)와 위상검출부(13)에서 위상비교하여 얻은 결과인 외부광로신호(Vt)를 A/D변환기(14)에서 변환한 후, CPU부(15)의 메모리에 저장한다.

다음에, CPU부(15)는 다시 광로선택기(8)를 90°회전시켜 외부광로를 차단하고 위의 방법과 동일한 방법으로 내부반사신호(fm)을 얻는다.

상기 내부반사신호(fm)는 외부반사신호(ft)와 비교할때 광의 세기가 크므로 동일한 위상지연효과를 기대할 수가 없다. 두 반사신호인 외부반사신호(ft)와 내부반사신호(fm)의 세기를 실효직류값(RMS-DC)로 변환하여 DC레벨을 A/D변환기(14)에서 디지탈값으로 바꾼 후, 서로 비교하여 그 차이를 CPU부(15)에서 연산처리하여 레벨차에 해당하는 디지탈값을 다시 D/A변환기(17)로 보내 자동세기조절장치(2)의 DC입력신호부 II에 입력시키면, 그 레벨차에 따라 변조신호의 입력인 변조주파수입력(Vp)가 변화되고, 이에 따라 레이저다이오드발진 변조광의 세기신호(fod)가 달라져서 재차 내부반사신호(fm)를 검출하였을 때는 외부반사신호(ft)=내부반사신호(fm)의 상태가 된다. 이때, 위상검출부(13)를 통하여 기준신호(fr)과 내부반사신호(fm)을 비교한 위상차인 내부광로신호(Vm)을 구할 수가 있다. 여기서, 내부광로신호(Vm)=외부광로신호(Vt)가 측정거리에 데이타가 된다.

제4도는 본 발명의 실시예에 따른 자동세기조절장치(2)의 상세도로서, 신호처리기(22)와 증폭기(23)로 구성되어 있으며, 신호처리기(22)의 입력신호부 I에는 CPU부(15)에서의 내부반사신호(fm)과 외부반사신호(ft)의 세기를 실효직류값(RMS-DC)으로 비교하여 그 차이를 D/A변환기(17)에서 변환한 DC레벨신호(Vd)를 입력된다.

신호처리기(22)의 출력신호는 증폭기(23)에 의하여 증폭된 변조주파수입력(Vp)(21)로 바뀌어 광원구동부(3)의 입력으로 보내진다. 증폭기(23)의 출력신호인 변조주파수입력(Vp)(21)은 제5도에 도시한 주입전류의 변조신호의 진폭이 된다. 변조 발진된 레이저광의 출력인 레이저다이오드발진 변조광의 세기신호(fod)는 레이저다이오드(4)가 허용하는 최대정격 출력으로 자동세기조절장치(2)의 입력인 DC레벨신호(Vd)의 DC크기가 레이저다이오드발진 변조광의 세기신호(fod)의 진폭에 직접 영향을 준다.

본 발명은 상기와 같이 종래의 뉴트럴-덴시티-필터(18)에 의한 세기조절장치(2)에 비해 광학장치가 간단하고 속도가 빨라 실시간의 거리측정이 가능하여 크레인(crane)이나 트랜스퍼 카(transfer car)등의 자동위치제어에 활용될 수 있는 장점을 지니고 있다.

Claims

광검출기로 검출된 아날로그신호인 내부반사신호와 외부반사신호를 디지탈신호로 변환시켜 출력하는 A/D변환기와, 상기한 두 신호의 세기를 비교연산하고 그 차이만큼에 해당하는 신호를 출력하는 CPU부와, 상기 CPU부의 출력신호를 애널로그 신호로 변환하여 DC레벨신호로서 출력하는 D/A변환기와, 원발진주파수를 발생하는 온도보상용 발진기와, 상기한 DC레벨신호와 원발진주파수를 합성하여 변조주파수입력을 발생시키는 자동세기조절장치와, 변조주파수입력을 이용하여 레이저 다이오드 발진 변조광의 세기신호를 발생시켜 출력하는 광원 구동부와, 상기한 광원 구동부로부터 입력되는 신호에 따라 레이저 광을 생성하여 출력하는 레이저 다이오드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저세기 자동조절 시스템.
제1항에 있어서, 레이저광의 발산각을 줄여 직전성을 높인 평행광으로 만드는 조준렌즈부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 세기 자동 조절 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 자동세기 조절장치는, 레이저다이오드를 구동시키는 광원구동부에 입력되는 전류의 변조신호세기를 자동으로 조절해줌으로써 레이저광의 출력세기를 변화시키는 신호처리기와, 상기한 신호처리기의 출력신호를 증폭시키는 증폭기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 세기 자동 조절 시스템