KR100945209B1

KR100945209B1 - 계수장치, 거리계, 계수방법 및 거리측정방법

Info

Publication number: KR100945209B1
Application number: KR1020080007335A
Authority: KR
Inventors: 타츠야 우에노
Original assignee: 야마타케 코포레이션
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2010-03-03
Also published as: US20080181354A1; KR20080070545A; EP1953567A2; US7684957B2; EP1953567A3

Abstract

본 발명의 계수장치는 계수부와, 주기측정부와, 도수분포 작성부와, 대표치 산출부와 보정치 산출부를 포함한다. 계수부는 계수기간동안 입력된 신호의 개수를 계수한다. 신호의 개수는 물리량과 선형관계를 갖는다. 신호는 물리량이 일정한 경우 실질적으로 하나의 주파수를 갖는다. 주기측정부는 신호가 계수기간동안 입력될 때마다 신호의 주기를 측정한다. 도수분포 작성부는 측정결과로부터 신호 주기의 도수분포를 작성한다. 대표치 산출부는 도수분포로부터 신호의 주기의 분포에 대한 대표치를 산출한다. 보정치 산출부는 도수분포로부터 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고 상기 도수(Ns 및 Nw)를 기초로 계수결과를 보정한다.

계수장치, 거리계, 계수방법, 거리측정방법

Description

계수장치, 거리계, 계수방법 및 거리측정방법{Counting Device, Distance Meter, Counting Method, And Distance Measuring Method}

본 발명은 신호의 개수를 계수하는 계수장치와, 상기 계수장치를 이용하여 간섭 파형들의 개수가 측정되는 측정 타켓까지의 거리를 구하는 간섭 거리계에 관한 것이다.

광 간섭을 이용한 레이저에 의한 거리측정은 비접촉 측정으로 인해 측정대상을 방해하지 않는 고정확도의 측정방법으로서 오랫동안 사용되어 왔다. 최근, 장치 크기의 축소를 이루기 위해 광측정 광원으로서 반도체 레이저를 이용하는 시도가 있어왔다. 이러한 장치의 대표적인 예는 FM 헤테로다인 간섭계를 이용한 장치이다. 이 장치는 고정확도로 비교적 장거리를 측정할 수 있으나, 반도체 레이저 외부에 있는 간섭계의 사용으로 인해 광학 시스템이 복잡해지는 단점이 있다.

이와는 대조적으로, 반도체 레이저로부터 광출력과 상기 레이저 내부에 측정대상에서 나온 광피드백 간의 간섭을 이용하는 측정장치가 제안되었다(셀프믹싱(self-mixing)효과, 셀프 커플링(self-coupling)효과). 셀프믹싱 효과를 이용한 레이저 측정장치들이 예컨대 참조문헌 1(타다시 우에다(Tadashi Udeda), 준 야마 다(Jun Yamada), 및 수수무 시토(Susumu Shitoh)의 논문"Distance Meter Using Self-Mixing Effect of Semiconductor Laser", 1994 Tokai-Section Joint Conference of the 8 Institutes of Electrical and Related Engineers), 참조문헌 2(준 야마다, 수수무 시토, 노리오 투다(Norio Tuda), 및 타다시 우에다의 논문"Study of Compact Distance Meter by Self-Coupling Effect of Laser Diode", Bulletin of Aichi Institute of Technology, Vol.31B, pp.35-42, 1996), 및 참조문헌 3(구이도 기우리아니(Guido Giuliani), 미셸 노지아(Michele Norgia), 실바노 도나티(Silvano Donati) 및 티에리 보쉬(Thierry Bosch), "Laser diode self-mixing technique for sensing applications", Journal of Optics A: Pure And Applied Optics, pp. 283-294, 2002)에 개시되어 있다.

셀프믹싱 효과를 이용한 이와 같은 레이저 측정장치들에서, 포토다이오드 내장형 반도체 레이저는 발광, 간섭 및 수광 기능을 동시에 가지며, 이에 따라, 외부 간섭 광학시스템을 아주 간단하게 한다. 따라서 센서장치는 단지 반도체 레이저와 렌즈만을 구비하고 종래 센서장치보다 더 작아진다. 이 장치는 또한 거리측정범위가 삼각측량보다 더 넓은 특징을 갖는다.

도 23은 FP 타입(패브리 패롯(Fabry-Perot) 타입 반도체 레이저의 복잡한 공진모델을 도시한 것이다. 도 23을 참조하면, 참조번호 101은 반도체 레이저를, 참조번호 102는 반도체 결정의 분할면, 참조번호 103은 포토다이오드, 참조번호 104는 측정대상을 나타낸다. 측정대상(104)으로부터 반사광의 일부가 발진영역으로 되돌아 오는 경향이 있다. 약간의 광 피드백이 공진기(101)내에서 레이저 빔과 섞여, 불안정한 동작 및 노이즈(복잡한 공진 노이즈 또는 광 피드백 노이즈)가 발생된다. 심지어 출력광에 대해 매우 작은 양의 광 피드백도 반도체 레이저의 특성에 현저한 변화를 일으킨다. 이러한 현상은 패브리 패롯 타입(이하 FP 타입이라 함) 반도체 레이저에 국한되지 않고, 또한 수직공진표면발광 레이저 타입(이하 VSCEL 타입이라 함)과 같은 다른 타입의 레이저 및 분포궤환형 레이저 타입(이하 DFB 레이저 타입이라 함)에도 발생한다.

레이저의 발진파장을 λ라 하고, 상기 측정대상(104) 근처의 분할면(102)에서 측정대상(104)까지의 거리를 L이라 하자. 이 경우, 잇따른 공진조건이 충족되면, 공진기(101)내 광 피드백 및 레이저 빔은 서로 보강된다.

따라서, 레이저 출력이 약간 증가된다.

L = nλ/2

여기서, n은 정수이다. 이 현상은 반도체 레이저의 공진기(101)내에 명백한 반사가 증가함에 따라 증폭작용이 발생한 경우에 측정대상(104)에서 나온 심지어 매우 미약한 산란광으로도 충분히 관찰될 수 있다.

반도체 레이저는 주입전류의 크기에 따라 다른 주파수를 갖는 레이저 빔을 방출한다. 따라서, 이 레이저는 어떠한 외부 변조기 없이도 주입전류를 이용하여 발진주파수를 직접 변조하게 한다. 도 24는 반도체 레이저의 발진파장이 소정 비율로 변하는 경우 포토다이오드(103)의 발진파장과 출력 파형 간의 관계를 도시한 것이다. 식 1에서 나타낸 L = nλ/2가 충족되는 경우, 공진기(101)내 광 피드백과 레 이저 빔 간의 위상차는 0°(동위상)가 되고, 공진기(101)내 광 피드백과 레이저 빔 간의 위상차는 서로 최대로 보강된다. L = nλ/2 + nλ/4인 경우, 위상차는 180°(역위상)가 되고, 공진기(101)내 광 피드백과 레이저 빔 간의 위상차는 서로 최대로 상쇄된다. 반도체 레이저의 발진파장이 변함에 따라, 레이저 출력은 번갈아 반복적으로 증가 및 감소한다. 레이저 출력이 공진기(101)에 형성된 포토다이오드(103)에 의해 이때 검출되는 경우, 도 24에 도시된 바와 같은 일정한 주기를 갖는 계단형(staircase) 파형이 얻어진다. 이러한 파형을 일반적으로 간섭파형이라 한다.

이 계단형 파형, 즉, 간섭패턴의 요소들 각각을 모드 호프 펄스(mode hop pulse)라 한다(이하, MHP라 함). MHP는 모드 호핑 현상과는 다른 현상이다. 측정대상(104)까지의 거리를 L1으로 표현하고, MHP의 개수를 10개라고 하자. 이 경우, 거리가 L1의 1/2인 L2으로 줄어들면, MHP의 개수는 5개가 된다. 즉, 반도체 레이저의 발진파장이 소정시간내에서 변함에 따라, MHP의 개수도 상기 측정거리에 비례하여 변한다. 따라서, 포토다이오드(103)로 MHP를 검출하고 MHP의 주파수를 측정함으로써 거리를 쉽게 측정할 수 있다.

셀프 믹싱형 거리계를 포함한 종래 간섭형 거리계는 계수장치를 이용한 MHP의 개수를 측정하거나 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용한 MHP의 주파수를 측정함으로써 측정대상까지의 거리를 구한다.

그러나, FFT를 이용한 거리계에서, 레이저의 발진파장의 변화가 시간에 대해 선형이 아닌 경우, FFT에 의해 산출된 피크 주파수는 본래 구해져야 하는 MHP의 평 균 주파수와 달라져, 측정된 거리에 오차가 발생한다.

계수장치를 이용한 거리계에서, 교란광과 같은 노이즈가 MHP로서 계수되거나 신호의 펄스누락으로 인해 계수되지 않은 MHP가 있는 경우, 계수장치에 의해 계수된 MHP의 개수에서 오차가 발생한다. 그 결과, 측정된 거리에서 오차가 발생한다.

이러한 계수오차는 거리계에 국한되지 않고 동일한 방식으로 다른 계수장치에도 발생할 수 있음에 유의하라.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 계수오차를 보정할 수 있는 계수장치와 계수방법 및 계수오차를 보정함으로써 거리측정 정확도를 향상시킬 수 있는 거리계와 거리측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 계수기간동안 입력되고 물리량과 선형관계에 있으며 상기 물리량이 상수인 경우에 실질적으로 하나의 주파수를 갖는 신호의 개수를 계수하기 위한 계수수단과, 신호가 상기 계수기간동안 입력될 때마다 신호의 주기를 측정하기 위한 주기측정수단과, 상기 주기측정수단에 의해 구해진 측정결과로부터 상기 계수기간동안 신호 주기의 도수분포를 작성하기 위한 도수분포 작성수단과, 상기 도수분포 작성수단에 의해 작성된 도수분포로 부터 신호 주기의 분포에 대한 대표치를 산출하기 위한 대표치 산출수단과, 상기 대표치 산출수단에 의해 산출된 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 상기 대표치 산출수단에 의해 산출된 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고, 상기 도수의 총 합(Nw 및 Nw)을 기초로 상기 계수수단에 의해 구해진 계수결과를 보정하기 위한 보정치 산출수단을 구비하는 계수장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 측정대상으로 레이저 빔을 방출하는 반도체 레이저와, 발진파장이 연속적으로 단조 증가하는 적어도 하나의 기간을 포함하는 제 1 발진기간과 발진파장이 연속적 단조 감소하는 적어도 하나의 기간을 포함하는 제 2 발진기 간이 번갈아 나타나도록 상기 반도체 레이저가 동작하게 하는 레이저 드라이버와, 상기 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 빔과 상기 측정대상으로부터의 광 피드백에 의해 야기된 간섭파형을 포함하는 전기신호를 획득하는 신호획득장치와, 상기 신호획득장치로부터 출력신호에 포함된 간섭파형의 개수를 계수하기 위한 계수수단과, 간섭파형이 상기 계수기간 동안 입력될 때마다 간섭파형의 주기를 측정하기 위한 주기측정수단과, 상기 주기측정수단에 의해 구해진 측정결과로부터 상기 계수기간동안 간섭파형의 주기의 도수분포를 작성하기 위한 도수분포 작성수단과, 상기 도수분포 작성수단에 의해 작성된 도수분포로부터 간섭파형의 주기분포의 대표치를 산출하기 위한 대표치 산출수단과, 상기 도수분포 작성수단에 의해 작성된 도수분포로부터 상기 대표치 산출수단에 의해 산출된 상기 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 상기 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고, 상기 도수(Nw 및 Nw)를 기초로 상기 계수수단에 의해 구해진 계수결과를 보정하기 위한 보정치 산출수단과, 상기 보정치 산출수단에 의해 보정된 계수결과로부터 상기 측정대상까지의 거리를 구하기 위한 연산수단을 구비하는 거리계가 제공된다.

본 발명에 따르면, 계수기간동안 입력되고 물리량과 선형관계에 있으며 상기 물리량이 상수인 경우 하나의 주파수를 갖는 신호의 개수를 계수하는 단계와, 신호가 상기 계수기간동안 입력될 때마다 신호의 주기를 측정하는 단계와, 주기 측정결과로부터 상기 계수기간동안 신호 주기의 도수분포를 작성하는 단계와, 상기 도수분포로부터 신호 주기의 분포에 대한 대표치를 산출하는 단계와, 상기 도수분포로 부터 상기 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 상기 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고, 상기 도수(Nw 및 Nw)를 기초로 계수된 신호 개수를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 계수방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 발진파장이 연속적으로 단조 증가하는 적어도 하나의 기간을 포함하는 제 1 발진기간과 발진파장이 연속적 단조 감소하는 적어도 하나의 기간을 포함하는 제 2 발진기간이 번갈아 나타나도록 반도체 레이저를 동작하게 하는 단계와, 상기 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 빔과 측정대상으로부터의 광 피드백에 의해 야기된 간섭파형을 포함하는 전기신호를 획득하는 단계와, 상기 획득된 전기신호에 포함된 간섭파형의 개수를 계수하는 단계와, 간섭파형의 개수가 계수되는 계수기간 동안 간섭파형이 입력될 때마다 간섭파형의 주기를 측정하는 단계와, 주기 측정결과로부터 상기 계수기간동안 간섭파형 주기의 도수분포를 작성하는 단계와, 상기 도수분포로부터 간섭파형의 주기 분포의 대표치를 산출하는 단계와, 상기 도수분포로부터 상기 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 상기 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고, 상기 도수(Nw 및 Nw)를 기초로 계수된 간섭파형의 개수를 보정하는 단계와, 간섭파형의 보정된 개수로부터 상기 측정대상까지의 거리를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정방법이 제공된다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 계수장치, 거리계, 계수방법 및 거리측정방 법의 효과는, 종래 계수장치를 이용한 거리계에서, 교란광과 같은 노이즈가 MHP로서 계수되거나 신호의 펄스누락으로 인해 계수되지 않은 MHP가 있는 경우, 계수장치에 의해 계수된 MHP의 개수에서 오차가 발생하여, 측정된 거리에서 오차가 발생하나, 이에 대해 본 발명의 방법에 따라 계수오차를 보정함으로써 거리측정 정확도가 크게 향상될 수 있다는 것이다.

[제 1 실시예]

본 발명은 파장변조를 이용하여 감지시 방출된 파와 표적대상에 의해 반사된 파의 간섭신호를 바탕으로 거리를 측정하는 기술이다. 따라서, 이 기술은 셀프믹싱형 간섭계와는 다른 광 간섭계 및 광 간섭계와는 다른 간섭계들에도 적용될 수 있다. 반도체 레이저의 셀프믹싱이 사용되는 경우를 더 상세히 기술한다. 레이저에서 측정대상으로 레이저 빔을 조사하면서 반도체 레이저의 발진파장이 변하는 경우, 발진파장이 최소 발진파장에서 최대 발진파장까지(또는 최대 발진파장에서 최소 발진파장까지) 변하는 동안 측정대상의 변위가 MHP의 개수에 반영된다. 따라서, 발진파장이 변함에 따른 MHP의 개수를 검사하여 측정대상의 상태를 검출할 수 있다. 상기 설명은 간섭계의 기본 원리에 대한 것이다.

첨부도면을 참조로 본 발명의 제 1 실시예가 기술되어 있다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 거리계의 구성을 도시한 것이다. 도 1에서 거리계는 레이저 빔을 측정대상으로 방출하는 반도체 레이저(1)와, 상기 반도체 레이저(1)에서 나온 광을 측정대상(12)으로 조사하고 또한 상기 측정대상(12)에서 나온 광 피드백을 집 광하여 상기 반도체 레이저(1)에 입사하게 하는 렌즈(3)와, 상기 반도체 레이저(1)에서 방출된 레이저 빔과 상기 측정대상(12)에서 나온 광 피드백 간의 간섭광을 전기신호로 변환시키는 수광장치로서 역할을 하는 포토다이오드(신호획득장치)(2)와, 상기 반도체 레이저(1)의 발진파장이 연속적으로 증가하는 기간을 포함하는 제 1 발진기간과 상기 발진파장이 연속적으로 감소하는 기간을 포함하는 제 2 발진기간을 레이저 발진기(1)가 번갈아 반복하게 하는 레이저 드라이버(4)와, 상기 포토다이오드(2)에서 나온 출력전류를 전압으로 변환시키고 상기 전압을 증폭시키는 전류/전압 변환 증폭기(5)와, 상기 전류/전압 변환 증폭기(5)의 출력전압으로부터 반송파를 제거하는 필터회로(11)와, 상기 필터회로(11)로부터 출력전압에 포함된 MHP의 개수를 계수하는 계수장치(8)와, 상기 MHP의 개수로부터 상기 측정대상(12)까지의 거리를 산출하는 연산장치(9)와, 상기 연산장치(9)에 의해 구해진 산출결과를 표시하는 표시장치(10)를 포함한다.

설명을 쉽게 하기 위해, 반도체 레이저(1)로서, 어떠한 모드 호핑 현상도 갖지 않는 타입(VCSEL 타입 또는 DFB 레이저 타입)의 레이저가 사용된다고 가정한다.

예컨대, 레이저 드라이버(4)는 시간에 대해 일정한 변화율로 반복 증감하는 삼각파 구동전류를 주입전류로서 제공하고, 상기 전류를 반도체 레이저(1)에 공급한다. 이 동작으로, 반도체 레이저(1)는 발진파장이 주입전류의 크기에 비례하여 일정한 변화율로 계속 증가하는 제 1 발진기간과 발진파장이 일정한 변화율로 계속 감소하는 제 2 발진기간을 교대로 반복하게 구동된다.

도 2는 반도체 레이저(1)의 발진파장의 시간변화를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 참조부호 t-1은 (t-1)번째 발진기간, t는 t번째 발진기간, t+1은 t+1번째 발진기간; t+2는 (t+2)번째 발진기간; t+3은 (t+3)번째 발진기간; t+4는 (t+4)번째 발진기간; λa는 각 기간에서 발진파장의 최소치, λb는 각 기간에서 발진파장의 최대치, 그리고 T는 삼각파의 주기를 나타낸다. 이 실시예에서, 발진파장의 최대치 λb와 최소치 λa는 계속 일정하게 유지되고, 이들 간의 차 λb-λa도 또한 일정하게 유지된다.

반도체 레이저(1)에서 방출된 레이저 빔이 렌즈(3)에 의해 집광되고 측정대상(12)으로 입사된다. 측정대상(12)에 의해 반사된 광은 상기 렌즈(3)에 의해 집광되고 반도체 레이저(1)로 입사된다. 그러나, 렌즈(3)가 반드시 집광할 필요는 없다. 포토다이오드(2)는 반도체 레이저에서 출력된 광을 전류로 변환시킨다. 전류/전압 변환 증폭기(5)가 포토다이오드에서 나온 출력전류를 전압으로 변환시켜 상기 전압을 증폭시킨다.

필터회로(11)는 변조파로부터 중첩신호를 추출하는 기능을 한다. 도 3의 (a)는 전류/전압 변환 증폭기(5)의 출력전압 파형을 개략적으로 도시한 것이다. 도 3의 (b)는 필터회로(11)의 출력전압 파형을 개략적으로 도시한 것이다. 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)는 포토다이오드(2)로부터의 출력인 도 3의 (a)에 있는 파형(변조파)에서 도 2의 반도체 레이저의 발진파형(반송파)을 제거함으로써 도 3의 (b)의 MHP 파형(중첩파)을 추출하는 과정을 도시한 것이다.

계수장치(8)는 각각의 제 1 발진기간(t-1. t+1, t+3) 및 제 2 발진기간(t, t+2, 및 t+4)에서 필터회로(11)로부터 출력전압에 포함된 MHP의 수를 계수한다. 도 4는 계수장치(8)의 구성예를 도시한 것이다. 계수장치(8)는 판정부(81), AND 연산부(AND)(82), 카운터(83), 계수결과 보정부(84), 및 기억부(85)를 구비한다. 판정부(81), AND(82), 및 카운터(83)는 계수기간동안 입력된 MHP(간섭파형 또는 입력신호)를 계수하는 계수부(80)를 구성한다.

도 5는 계수결과 보정부(84)의 구성예를 도시한 것이다. 계수결과 보정부(84)는 주기측정부(840), 도수분포 작성부(841), 대표치 산출부(842), 및 보정치 산출부(842)를 구비한다.

도 6의 (a) 내지 도 6의 (f)는 계수장치(8)의 연산을 설명한 것이다. 도 6의 (a)는 필터회로(11)로부터 출력전압의 파형, 즉, MHP 파형을 도시한 것이다. 도 6의 (b)는 도 6의 (a)에 따라 판정부(81)로부터의 출력을 도시한 것이다. 도 6의 (c)는 계수장치(8)에 입력된 게이트 신호(GS)를 도시한 것이다. 도 6의 (d)는 도 6의 (b)에 따라 카운터(83)에 의해 구해진 계수결과를 도시한 것이다. 도 6의 (e)는 계수장치(8)에 입력된 클록신호(CLK)를 도시한 것이다. 도 6의 (f)는 도 6의 (b)에 따라 주기측정부(840)에 의해 구해진 측정결과를 도시한 것이다.

무엇보다도, 계수장치(8)의 판정부(81)는 도 6의 (a)에 도시된 필터회로(11)로부터의 출력전압이 하이레벨(H) 또는 로우레벨(L)에 있는지를 판정하고 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 판정결과를 출력한다. 판정부(81)는 필터회로(11)로부터의 출력전압이 임계치 TH1 이상까지 올라간 경우 하이레벨에 있다고 판정하고, 필터회로(11)로부터의 출력전압이 임계치 TH2 이하(TH2 < TH1)로 내려간 경우 로우레벨에 있다고 판정함으로써 필터회로(11)로부터의 출력을 이진화한다.

AND(82)는 판정부(81)로부터의 출력과 도 6의 (c)에 도시된 바와 같은 게이트 신호(GS) 간에 AND 연산결과를 출력한다. 카운터(83)는 AND(82)로부터의 출력의 상승구간(leading edge)들을 계수한다(도 6의 (d)). 게이트 신호(GS)는 계수기간(이 실시예에서 제 1 또는 제 2 발진기간)의 시작시에 상승하고, 계수기간의 종료시에 하강하는 신호이다. 카운터(83)는 계수기간동안 AND(82)로부터 출력의 상승구간들의 개수(즉, MHP의 상승구간의 개수)를 계수한다.

계수결과 보정부(84)의 주기측정부(840)는 상승구간이 발생할 때마다 계수기간동안 AND(82)로부터 출력의 상승구간들의 주기(즉, MHP의 주기)를 측정한다. 이 때, 주기측정부(840)는 도 6의 (e)에 도시된 클록신호(CLK)의 주기를 1단위로 하여 MHP의 주기를 측정한다. 도 6의 (f)에 도시된 경우에서, 주기측정부(840)는 MHP의 주기로서 연이어 Tα, Tβ, 및 Tγ를 측정한다. 도 6의 (e) 및 도 6의 (f)로부터 명백한 바와 같이, 주기 Tα, Tβ, 및 Tγ의 크기는 각각 5클록, 4클록, 및 2 클록이다. 클록신호(CLK)의 주파수는 MHP가 취할 수 있는 최대 주파수보다 훨씬 더 크다.

기억부(85)는 카운터(83)에 의해 구해진 계수결과와 주기측정부(840)에 의해 구해진 측정결과를 기억한다.

게이트 신호(GS)가 내려가고 계수기간이 종료된 후에, 계수결과 보정부(84)의 도수분포 작성부(841)가 기억부(85)에 기억된 측정결과로부터 계수기간동안 MHP의 주기의 도수분포를 작성한다.

연이어, 계수결과 보정부(84)의 대표치 산출부(842)가 도수분포 작성부(841) 에 의해 작성된 도수분포로부터 MHP의 주기의 중앙치(T0)를 산출한다.

계수결과 보정부(84)의 보정치 산출부(843)는 도수분포 작성부(841)에 의해 작성된 도수분포로부터 주기의 중앙치(T0)의 0.5배(제 1 소정 배수) 이하의 부류(部類)에 있는 도수의 총 합(Ns)과 주기의 중앙치(T0)의 1.5배(제 2 소정 배수) 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고, 하기와 같이 카운터(83)에 의해 구해진 계수결과를 보정한다:

N' = N + Nw - Ns

여기서 N은 카운터(83)에 의해 구한 계수결과로서 MHP의 개수이며, N'은 보정후 계수결과이다.

도 7은 도수분포 예를 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 참조부호(Ts)는 주기의 중앙치(T0)의 0.5배 부류값을, 참조부호(Tw)는 주기의 중앙치(T0)의 1.5배 부류값을 나타낸다. 명백히, 도 7의 부류들은 MHP의 주기의 대표치들이다. 간략히 하기 위해, 도 7은 중앙치(T0)와 Ts 사이 및 중앙치(T0)와 Tw 사이의 도수분포를 나타내지 않았다.

도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 카운터(83)에 의해 구해진 계수결과를 보정하는 원리를 설명한다. 보다 구체적으로, 도 8의 (a)는 필터회로(11)로부터 출력전압의 파형, 즉, MHP 파형을 개략적으로 도시한 것이다. 도 8의 (b)는 도 8의 (a)에 따른 카운터(83)에 의해 구해진 계수결과를 도시한 것이다.

MHP의 주기는 통상적으로 측정대상(12)까지의 거리에 따라 변한다. 그러나, 측정대상(12) 까지의 거리가 불변인 경우, MHP는 동일한 주기로 나타난다. 그러나, 노이즈로 인해, MHP 파형에서 누락이 발생하거나 신호로서 계수되지 않아야 하는 파형이 발생되어, MHP의 개수에 오차가 발생한다.

누락이 신호에 발생하는 경우, 누락이 발생한 위치에서 MHP의 주기(Tw)는 본래 주기의 약 2배가 된다. 즉, MHP의 주기가 중앙치(T0)의 약 2배 이상이 되면, 신호에서 누락이 발생한 것으로 판정될 수 있다. 따라서, 신호에서의 누락은 주기(Tw) 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 상기 신호에서 누락 개수로서 간주하고, 카운터(83)의 계수결과(N)에 Nw를 더함으로써 보정될 수 있다.

또한, 노이즈가 계수된 위치에서 MHP의 주기(Ts)는 본래 주기의 약 0.5배가 된다. 즉, MHP의 주기가 중앙치의 약 0.5배 이하이면, 신호가 과잉 계수된 것으로 판정될 수 있다. 따라서, 오류로 계수된 노이즈는 주기(Ts) 이하인 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)을 신호가 계수된 회수로서 간주하고, 카운터(83)에 의해 구해진 계수결과(N)로부터 Ns를 뺌으로써 보정될 수 있다.

상기는 수학식(2)에 나타낸 계수결과를 보정하는 원리이다. 이 실시예에서, Ts는 주기의 중앙치(T0)의 0.5배로 설정되고, Tw는 중앙치(T0)의 2배 대신 중앙치(T0)의 1.5배로 설정된다. 왜 Tw가 중앙치의 1.5배 값으로 설정한지에 대한 이유를 하기에서 설명한다.

보정치 산출부(843)는 수학식(2)에 의해 산출된 보정 계수결과(N')를 연산장치(9)에 출력한다. 계수장치(8)는 각각의 제 1 발진기간(t-1, t+1, t+3)과 제 2 발진기간(t, t+2, t+4)에서 상기 과정을 수행한다.

연산장치(9)는 계수장치(8)에 의해 측정된 MHP의 개수(N')를 기초로 측정대상(12)까지의 거리를 구한다. 소정 기간내에 있는 MHP의 개수는 측정 거리에 비례한다. 따라서, 일정한 계수기간(이 실시예에서 제 1 또는 제 2 발진기간)내에서 MHP의 개수와 거리 간의 관계를 사전에 구하고 연산장치(9)내의 데이터베이스(미도시)에 미리 등록하여 상기 연산장치(9)가 상기 데이터베이스로부터 계수장치(8)에 의해 측정된 MHP의 개수(N')에 해당하는 거리 값을 획득함으로써 측정대상(12) 까지의 거리가 구해지게 된다.

대안으로, 계수기간내 MHP의 개수와 거리 간의 관계를 나타내는 수학식을 사전에 구하고 설정하여 연산장치(9)가 계수장치(8)에 의해 측정된 MHP의 개수(N')를 수학식에 대입함으로써 측정대상(12)까지의 거리를 산출할 수 있다. 연산장치(9)는 각각의 제 1 발진기간(t-1, t+1, t+3)과 제 2 발진기간(t, t+2, t+4)에서 상기 과정을 수행한다.

표시장치(10)는 실시간으로 연산장치(9)에 의해 산출된 측정대상(12)까지의 거리(변위)를 표시한다.

상술한 바와 같이, 제 1 실시예는 계수기간내에 MHP의 주기를 측정하고 측정결과로부터 상기 주기기간내에 MHP의 주기의 도수분포를 작성한다. 그런 후 제 1 실시예는 상기 도수분포로부터 MHP의 주기의 중앙치를 산출하고 상기 중앙치의 0.5배 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 상기 도수분포로부터 1.5배 이상인 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구한다. 제 1 실시예는 총 합(Ns 및 Nw)을 기초로 카운터에 의해 구해진 계수결과를 보정함으로써 MHP 계수오차를 보정할 수 있고, 이에 의해 거리측정 정확도를 향상시킨다.

제 1 실시예에서 계수장치(8)와 연산장치(9)는, 예컨대, CPU, 기억장치, 인터페이스 및 이들 하드웨어 자원들을 제어하는 프로그램들에 의해 구현될 수 있다. 이러한 컴퓨터를 동작시키기 위한 프로그램들이 플렉시블 디스크(flexible disk), CD-ROM, DVD-ROM, 또는 메모리 카드와 같은 기록매체상에 기록된 상태로 제공된다. CPU는 기억장치에서 읽기 프로그램을 작성하고, 프로그램에 따라 이 실시예에서 기술된 처리과정들을 실행한다.

주기의 도수분포의 중앙치가 MHP의 기준주기로서 사용되는 지에 대한 이유는, 도수 Nw가 구해진 경우에 설정된 주기 임계치가 중앙치의 1.5인지에 대한 이유와 함께, 다음에서 설명된다.

노이즈를 잘못 계수했기 때문에 MHP의 주기가 2로 나워지는 경우에서 구한 계수결과의 보정을 먼저 설명한다. 반도체 레이저의 발진파장이 선형으로 변하는 경우, MHP의 주기(T)는 측정주기(Tc)를 MHP의 개수(N)로 나누어서 구한 T0에 중심을 둔 정규분포를 나타낸다(도 9).

다음으로, 노이즈로 인해 2로 나누어진 MHP의 주기를 고려하자. 과잉 노이즈를 계수한 결과로서 2로 나누어진 MHP의 주기는 랜덤비율(random ratio)로 나누어진 주기이다. 그러나, 분할전 주기는 T0에 중심을 둔 정규분포를 가지며, 따라서 2로 나누어진 MHP의 주기는 0.5T0에 대해 대칭인 도수분포를 나타낸다(도 10에서 a).

노이즈를 포함한 MHP의 n%의 주기의 도수분포에 대해, MHP의 n%의 주기가 노 이즈로 인해 2로 나누어진다고 가정하여 MHP의 주기의 평균 및 중앙을 산출한다.

모든 주기들의 합은 항상 계수기간(Tc)이며 변하지 않는다. 그러나, MHP의 주기가 노이즈로 인해 2로 나누어지는 경우, 도수의 적분치가 (1+n[%])N이 되기 때문에, MHP의 주기의 평균은 (1/(1+n[%]))T0가 된다.

정상분포에 중첩되는 노이즈 분포의 일부가 무시되는 경우, 2로 나누어진 노이즈의 누적도수는 중앙치(Me)와 T0 사이의 부류에 포함된 도수의 2배이다. 따라서, MHP의 주기의 중앙치는 도 11에서 b 면적이 a 면적의 2배인 위치에 있게 된다.

마이크로소프트사로부터 구매한 엑셀(등록 상표)은 NORMSDIST()라는 함수를 포함하며, 상기 함수는 정규분포의 평균치와 ασ 사이의 기간내에 있는 양측치들 간의 기간비율을 "(1-(1-NORMSDIST(α))*2)*100[%]"로 표현할 수 있다. 이 함수의 사용으로 다음과 같은 MHP의 주기의 중앙치를 표현할 수 있다:

(1-(1-NORMSDIST((중앙치-T0)/σ))*2)*(100-n)/2 = n[%]

상기 설명에 따르면, 표준편차σ는 0.02T0로 설정되고, MHP의 평균 T0'와 중앙치 T0'는 MHP의 10%의 주기가 노이즈로 인해 2로 나누어지는 경우 다음과 같이 산출된다.

T0' = (1/(1+0.1))T0 = 0.91T0

T0' = 0.995T0

이 경우, 평균치와 중앙치 모두 T0'로 표시한다고 하자. 계수치(도수의 적분치)는 1.1N이며 계수오차는 10%이다.

주어진 주기 Ta를 갖는 MHP를 2로 나눈 후 2개의 주기(T1 및T2)(T1≥T2)가 취할 수 있는 기간의 확률을 고려하자. 노이즈는 랜덤하게 발생된다고 하자. 도 12에 도시된 바와 같이, T2는 동일한 확률로 0 < T2 ≤ Ta/2로 정의된 값을 취할 수 있다. 마찬가지로, T1은 동일한 확률로 Ta/2 ≤ T1 < Ta로 정의된 값을 취할 수 있다. 도 12에서 T1이 취할 수 있는 확률분포 면적과 T2가 취할 수 있는 확률분포 면적은 모두 1이다.

주기 Ta는 T0에 중심을 둔 정규분포를 갖는다. 따라서, Ta가 세트로서 간주되는 경우, T2가 취할 수 있는 확률의 도수분포는 평균이 0.5T0이고 표준편차가 0.5σ인 정규분포의 누적 도수분포와 동일한 형태를 갖는다.

도 13에 도시된 바와 같이, T1이 취할 수 있는 확률 도수분포는 평균이 T0이고 표준편차가 σ인 정규분포의 누적 도수분포에 평균이 0.5T0이고 표준편차가 0.5σ인 정규분포의 누적 도수분포를 중복시킴으로써 구한 형태와 동일한 형태를 갖는다. 이 경우, T1 및 T2의 개수 각각은 주기가 2로 나누어진 MHP의 개수 n[%]·N와 같다.

노이즈로 인해 주기가 2로 나누어진 MHP의 개수 n[%]·N가 고려되는 경우, MHP의 개수(N)는 다음에 의해 도출될 수 있다.

N = N' - n[%]·N

주기가 Tb 이하인 MHP의 개수(Ns)가 주기가 2로 나누어진 MHP의 개수 n[%]·N와 동일하도록 Tb가 설정될 수 있는 경우, 주기가 2로 나누어진 MHP의 개수 n[%]·N는 주기는 Tb 이하인 MHP의 개수(Ns)를 계수함으로써 간접적으로 계수될 수 있다.

도 14를 참조하면, 주기가 Tb 이상인 MHP의 주기(T2)의 도수(도 14에서 c)가 주기가 Tb 미만인 MHP의 주기(T1)의 도수(도 14에서 d)와 동일한 경우, 주기가 Tb 이하인 MHP의 개수는 T2의 개수, 즉, 주기가 2로 나누어진 MHP의 개수 Ns(=n[%]·N)와 동일해 진다. 즉, MHP의 개수(N)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

N = N' - n[%]·N = N' - Ns

T1 및 T2의 도수 형태는 0.5Ta에 대해 대칭이므로, 임계치로서 0.5Ta를 이용하여 판정을 행함으로써 주기가 2로 나누어진 MHP의 도수 Ns(= n[%]·N)를 정확하게 계수할 수 있다.

주기가 2로 나누어진 MHP의 개수 n[%]·N는 주기가 0.5T0 이하인 MHP의 개수를 계수함으로써 간접적으로 계수될 수 있으나, T0는 노이즈를 포함하는 MHP의 주기의 도수분포(도 10)로부터 산출될 수 없다. MHP의 모집단은 모드가 T0와 동일하도록 이상적이며 도 10에 있는 도수분포와 같이 큰 모듈러스(large modulus)를 갖는 경우, 모드는 T0'로서 사용될 수 있다.

이 경우, 평균치 또는 중앙치(T0)를 이용한 MHP의 수 n[%]·N의 개수를 기술한다. T0' = y·T0로 설정하고, Ns는 T0 대신에 T0'를 대입함으로써 구해진 경우, 주기가 2로 나누어진 MHP의 개수로서 판정된 0.5T0' 보다 작은 주기의 도수 Ns'는 y·n[%]·N으로 표현된다(도 15).

평균치 또는 중앙치(T0')가 사용되는 경우, 보정후 계수치(Nt)는 다음과 같이 표현된다:

Nt = N' - Ns' = (1 + n[%])N - yn[%]N = (1 + (1 - y)n[%])N

= N + (1 - y)n[%])N

보정후 오차인 (1 - y)n[%])N은 도 16에서 e 부분의 도수를 나타내는 것에 유의하라.

평균치 또는 중앙치(T0')를 이용하여 카운터(83)에 의해 구해진 계수결과의 보정예가 하기에 기술되어 있다.

표준편차가 σ=0.02T0로 표현되고 MHP의 10% 주기는 노이즈로 인해 2로 나누어진 경우(계수결과는 10%의 오차를 포함함), MHP의 주기의 평균(T0')은 0.91T0이며, 중앙치(T0')는 0.9949T0이다. 따라서, 평균치(T0')가 사용되는 경우, y는 0.91이다. 중앙치(T0')가 사용되는 경우, y는 0.9949이다. 보정후 계수결과(N')는 다음과 같이 산출된다.

N' = (1 + 0.1(1 - 0.91))N = 1.009N

N' = (1 + 0.1(1 - 0.995))N = 1.0005N

수학식(9)은 평균치(T0')가 사용되는 경우 보정후 계수결과(N')를 나타낸 것이다. 수학식(10)은 중앙치(T0')가 사용되는 경우 보정후 계수결과(N')를 나타낸 것이다. 평균치(T0')가 사용된 경우에 구한 계수결과(N')에서의 오차는 0.9%이다. 중앙치(T0')가 사용된 경우에 구한 계수결과(N')에서의 오차는 0.05%이다.

표준편차는 σ=0.05T0로 표현되고, MHP의 20% 주기는 노이즈로 인해 2로 나누어진다고 가정하자. 이 경우, MHP의 주기의 평균치(T0')는 0.83T0이고, 중앙치(T0')는 0.9682T0이다. 따라서, 평균치(T0')가 사용된 경우, y는 0.83이다. 중앙치(T0')가 사용된 경우, y는 0.968이다. 보정후 계수결과(N')는 다음과 같이 산출된다:

N' = (1 + 0.2(1 - 0.83))N = 1.034N

N' = (1 + 0.2(1 - 0.968))N = 1.0064N

수학식(11)은 평균치(T0')가 사용되는 경우 보정후 계수결과(N')를 나타낸 것이다. 수학식(12)은 중앙치(T0')가 사용되는 경우 보정후 계수결과(N')를 나타낸 것이다. 평균치(T0')가 사용된 경우에 구한 계수결과(N')에서의 오차는 3.4%이다. 중앙치(T0')가 사용된 경우에 구한 계수결과(N')에서의 오차는 0.64%이다.

보정후 계수결과(N')에서의 오차는 MHP의 주기의 중앙치를 이용하여 계수결과(N)를 보정함으로써 감소될 수 있음이 상기 설명으로부터 명백해진다.

다음으로 누락이 MHP 파형에서 발생된 경우에 계수결과의 보정을 설명한다. MHP의 낮은 강도로 인해 계수시 누락이 발생한 경우에 MHP의 주기는, MHP의 본래 주기가 T0에 중심을 둔 정규분포를 나타내기 때문에, 평균이 2T0이고 표준편차가 2σ인 정규분포(도 17에서 f)를 나타낸다. MHP의 m[%]이 누릭된 경우, 누락으로 인해 주기가 2배가 된 MHP의 주기의 도수는 Nw(=m[%]·N)로 표현된다. 또한, 누락으로 인해 계수시 MHP의 개수에서 감소후 거의 T0인 주기의 주파수는 도 17에서 g 로 표현되어 있다. 도 17에서 g로 표현된 도수의 감소는 2Nw(=2m[%])이다. 따라서, 계수시 MHP의 어떠한 누락이 없는 MHP의 본래 개수 N'는 다음과 같이 표현될 수 있다.

N' = N + m[%] = N + Nw

다음으로, 계수결과의 보정을 위해 계수 Nw시 주기에 대한 임계치를 고려하자. 계수시 누락으로 인해 주기가 2배가 되는 MHP의 주기의 도수 Nw의 p[%]가 노이즈로 인해 2로 나누어진다고 가정하자. 누락된 MHP 중에 2로 나누어진 MHP의 주기의 주파수는 Nw'(=m·p[%]·N)로 표현된다. 도 18은 다시 2로 나누어진 MHP의 주기의 도수분포를 도시한 것이다. Nw로 간주되는 주기에 대한 임계치가 1.5T0 로 설정된다고 가정하자. 이 경우, 주기가 0.5T0 이하인 MHP의 주기의 도수는 0.5Nw'(=0.5p[%]·Nw)이고, 주기가 0.5T0 에서 1.5T0 범위에 있는 MHP의 주기의 도수는 Nw'(=p[%]·Nw)이며, 주기가 1.5T0 이상인 MHP의 주기의 도수는 0.5Nw'(=0.5p[%]·Nw)이다.

따라서, 모든 MHP의 주기의 도수분포는 도 19에 도시된 도수분포가 된다. Ns 에 대한 임계치가 0.5T0이고 Nw에 대한 임계치가 1.5T0인 경우, 계수결과(N)는 다음과 같이 표현된다:

N = (N' - 2Nw) + (Nw - Nw') + 2Nw' = N' - Nw + Nw'

다음은 수학식(14)을 이용해 보정함으로써 구한 결과이다. 명백히, MHP의 본래 개수 N'은 계수시 어떠한 MHP 누락도 발생하지 않은 경우에 산출된다.

N - 0.5 Nw' + (0.5Nw' + (Nw - Nw')) = (N -Nw + Nw') + (0.5Nw' + (Nw - Nw')) = N'

계수결과(N)는 도수(Nw)가 구해지는 경우 주기에 대한 임계치를 중앙치의 1.5배로 설정함으로써 보정될 수 있음이 상기 설명으로부터 명백해진다. MHP의 주기가 노이즈로 인해 2로 나누어지는 이 경우에서와 같이, 보정이 T0 대신에 중앙치를 이용하여 수행되므로, 유사한 오차가 발생하는 것에 유의하라.

상기 설명은 노이즈를 과잉 계수한 결과로서 MHP의 주기가 2로 나누어지는 경우와 누락으로 인해 MHP의 주기가 2배가 되는 경우를 별도로 예시하였다. 이러한 경우는 별개로 발생하기 때문에, 도 20에 도시된 바와 같이 하나의 도수분포로 표현된다. Ns에 대한 임계치는 0.5T0이고, Nw에 대한 임계치는 1.5T0인 경우, 계수결과(N)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

N = (N' - 2Nw - Ns) + (Nw - Nw') + 2Nw' + 2Ns = N' - Nw + Nw' + Ns

다음은 수학식(16)에 의해 보정된 결과이다. 명백히, MHP의 본래 개수 N'은 계수시 계수를 누락하거나 과잉 계수하지 않은 경우에 산출된다.

N - {0.5Nw' + Ns} + {0.5Nw' + (Nw - Nw')} = {N - Nw + Nw' + Ns} - {0.5Nw' + Ns} + {0.5Nw' + (Nw - Nw')} = N'

도 18 내지 도 20을 참조하면, Cn은 본래 계수에 해당하는 부분을 나타내고, Cs는 뺄셈계수에 해당하는 부분이며, Ca는 덧셈계수에 해당하는 부분을 나타낸다.

[제 2 실시예]

본 발명의 제 2 실시예를 다음에 설명한다. 제 1 실시예에서, 계수결과는 MHP의 주기의 대표치로서 중앙치를 이용하여 보정된다. 그러나, 모드가 주기의 대표치로서 사용될 수 있다.

MHP의 주기의 도수분포가 도 21에 도시된 본래 분포 j에서 이동되어 도 21의 분포 k가 된다고 가정하자. 이 경우, MHP의 주기의 중앙치도 또한 본래 값(T0)에서 값(Td)로 이동된다. 이러한 경우, 계수결과가 중앙치(Td)를 이용해 보정되는 경우, 보정후 계수결과에서의 오차가 증가한다.

따라서, 노이즈 성분으로 인해 도수분포의 이동 영향이 생각될 수 있는 경우, 모드는 주기의 대표치로서 사용된다. 보다 상세하게, 계수결과 보정부(84)의 대표치 계산부(842)는 도수분포 작성부(841)에 의해 작성된 도수분포로부터 MHP의 주기의 모드를 산출한다. 계수결과 보정부(84)의 보정치 계산부(843)는 중앙치(T0) 대신에 모드를 이용하여 제 1 실시예에서 처리과정과 동일한 처리과정을 수행한다.

수학식(8) 내지 (12)를 참조로 기술한 바와 같이, 보정후 계수결과에서의 오차는 중앙치(T0)가 사용되는 경우의 오차보다 훨씬 더 커지나, 주기의 평균이 대표치로서 사용될 수 있다. 이 경우, 대표치 산출부(842)가 MHP의 주기 평균을 산출한다.

제 1 및 제 2 실시예는 본 발명의 계수장치가 거리계에 적용되는 경우를 예로 든 것이다. 그러나, 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명의 계수장치는 다른 분야에도 적용될 수 있다. 본 발명의 계수장치는 계수 표적대상으로서 신호의 개수가 특정 물리량(제 1 및 제 2 실시예에서 거리)과 선형관계를 갖는 경우에 효과적으로 적용될 수 있으며, 상기 물리량이 상수인 경우, 신호는 거의 하나의 주파수를 갖는다.

신호들이 하나의 주파수를 갖지 않더라도, 신호들은 낮은 주파수, 예컨대 변조파 주파수의 1/10 이하인 주파로 진동하는 표적대상 물체의 속도와 같이 계수 표적대상로서 특정 물리량의 주기 분포의 확산이 계수기간에 비해 작은 경우 거의 하나의 주파수를 갖는 것으로 간주될 수 있다. 본 발명의 계수장치는 이러한 경우에 효과적으로 적용될 수 있다.

제 1 및 제 2 실시예는 MHP의 주기가 누락으로 인해 본래 주기의 거의 2배일 때 수행되는 경우를 예로 들었다. 그러나, 본 발명은 또한 2 이상의 MHP가 연속적으로 누략되는 경우에도 적용될 수 있다. 2개의 MHP가 연속으로 누락되는 경우, 중앙치의 3배 주기가 3개의 MHP 주기의 합으로 간주될 수 있다. 이 경우, 주기의 중앙치의 거의 3배 이상의 부류에 있는 도수를 구하고 상기 도수를 2배함으로써 MHP 누락을 보정할 수 있다. 이러한 생각이 일반화되면, 수학식(2) 대신 다음 식으로도 충분하다:

N' = N + Nw1 + Nw2 + Nw3 + ... - Ns

여기서, Nw1은 주기의 중앙치의 1.5배 이상인 부류에 있는 주기들의 총 합이고, Nw2는 주기의 중앙치의 2.5배 이상인 부류에 있는 주기들의 총 합이며, Nw3은 주기의 중앙치의 3.5배 이상인 부류에 있는 주기들의 총 합이다.

제 1 및 제 2 실시예가 셀프믹싱 타입과는 다른 거리계에 적용되는 경우, 반도체 레이저(1)에 의해 방출되고 입사광으로부터 측정대상(12)으로의 상기 측정대상(12)에 의해 반사되는 광을, 예컨대, 빔 스플릿을 이용하여 분할하고 포토다이오드(2)를 이용하여 상기 광을 검출하는 것으로 충분하다. 이로써 셀프믹싱과는 다른 거리계로부터 제 1 및 제 2 실시예의 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

[제 3 실시예]

제 1 및 제 2 실시예에서, MHP 파형은 반도체 레이저(1)로부터의 광출력을 전기신호로 변환시키는 수광장치로서 포토다이오드(2)에서 나온 출력신호로부터 추출된다. 그러나, 포토다이오드(2)를 이용하지 않고도 MHP 파형을 추출할 수 있다. 도 22는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 거리계의 구성을 도시한 것이다. 도 1과 동일한 참조번호는 도 22에서 동일한 구성요소를 나타낸다. 이 실시예의 거리계는 제 1 실시예의 포토다이오드(22)와 전압/전류 변환 증폭기(5) 대신에 전압검출회로(신호획득장치)(13)를 이용한다.

전압검출회로(13)는 반도체 레이저(1)의 말단 사이에 전압, 즉, 양극과 음극 사이의 전압을 검출하고 증폭시킨다. 반도체 레이저(1)로부터 방출된 레이저 빔과 측정대상(12)으로부터 광 피드백 간에 셀프믹싱 효과에 의해 간섭이 야기되는 경우, 반도체 레이저(1)의 말단 사이의 전압이 MHP 파형을 나타낸다. 따라서, 반도체 레이저(1)의 말단 사이의 전압으로부터 MHP 파형을 추출할 수 있다. 즉, 전압검출회로(13)는 레이저 빔과 광 피드백 간의 셀프믹싱 효과에 의해 야기된 간섭파형을 포함하는 전기신호를 검출하는 검출기로서 기능을 한다.

필터회로(11)는 제 1 실시예에서 변조파로부터 중첩신호를 추출하는 기능을 가지며, 전압검출회로(13)에서 나온 출력전압으로부터의 MHP 파형을 추출한다.

반도체 레이저(1), 레이저 드라이버(4), 계수장치(8), 연산장치(9) 및 표시장치(10)의 동작은 제 1 실시예의 동작과 동일하다.

이런 방식으로, 제 3 실시예는 포토다이오드(2)를 이용하지 않고도 MHP 파형을 추출할 수 있고, 이에 따라 제 1 실시예에 비해 거리계의 구성요소들의 개수를 줄일 수 있고, 이에 의해 거리계의 비용을 줄일 수 있다. 제 1 실시예에서 포토다이오드(2)는 전압검출회로(13)와 같이 검출기로서 사용될 수 있음에 유의하라.

제 1 및 제 2 실시예가 셀프믹싱 타입의 거리계 뿐만 아니라 셀프믹싱과는 다른 거리계에도 적용될 수 있으나, 제 3 실시예는 셀프믹싱 타입의 거리계에만 적용된다.

상술한 바와 같이, 상기 실시예들에서, 계수기간동안 입력되 신호들의 주기들이 측정된다. 계수기간내에 신호 주기의 도수분포는 이 측정결과로부터 발생된 다. 신호 주기의 대표치는 이 도수분포로부터 산출된다. 또한, 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 주기들의 총합(Ns)과 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 주기들의 총합(Nw)도 도수분포로부터 구해진다. 계수기간내에 입력된 신호에 대한 계수결과는 도수(Ns 및 Nw)를 기초로 보정된다. 이로써 누락 계수와 과잉 계수의 영향을 제거함으로써 계수장치에서 계수오차를 보정할 수 있다.

또한, 상기 실시예들에서, 계수기간내 간섭파형의 주기들도 측정된다. 계수 기간내 간섭파형의 주기들의 도수분포는 상기 측정결과로부터 발생된다. 간섭파형의 주기에 대한 대표치가 이 도수분포로부터 산출된다. 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 주기들의 총 합(Ns)과 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 주기들의 총 합(Nw)도 도수분포로부터 구해진다. 간섭파형에 대한 측정결과는 도수(Ns 및 Nw)를 기초로 보정된다. 이로써 누락 계수와 과잉 계수의 영향을 제거함으로써 간섭파형 계수오차를 보정할 수 있다. 따라서, 계수수단을 이용한 간섭파형의 개수를 측정함으로써 측정대상까지의 거리를 구하는 거리계의 거리측정 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 거리계의 구성을 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에서 반도체 레이저의 발진파장의 시간변화를 도시한 그래프이다.

도 3의 (a)는 본 발명의 제 1 실시예에서 전류/전압 변환 증폭기의 출력 전압파장을 개략적으로 도시한 그래프이다.

도 3의 (b)는 필터 회로의 출력전압 파형을 개략적으로 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에서 계수장치의 구성예를 도시한 블록도이다.

도 5는 도 4의 계수장치에서 계수결과 보정장치의 구성예를 도시한 블록도이다.

도 6의 (a) 내지 도 6의 (f)는 도 4의 계수장치의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다.

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에서 주기의 도수분포 예를 도시한 그래프이다.

도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 본 발명의 제 1 실시예에서 계수장치의 계수결과를 보정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 모드 호프 펄스의 주기의 도수분포를 도시한 그래프이다.

도 10은 노이즈를 포함한 모드 호프 펄스의 주기의 도수분포를 도시한 그래프이다.

도 11은 노이즈를 포함한 모드 호프 펄스의 주기의 중앙치를 도시한 그래프 이다.

도 12는 주기가 2로 나누어지는 모드 호프 펄스의 주기의 확률분포를 도시한 그래프이다.

도 13은 주기가 2로 나누어지는 모드 호프 펄스의 주기의 도수분포를 도시한 그래프이다.

도 14는 주기가 2로 나누어지는 모드 호프 펄스의 주기의 도수분포를 도시한 그래프이다.

도 15는 주기가 2로 나누어지는 모드 호프 펄스의 주기의 도수분포를 도시한 그래프이다.

도 16은 계수 값의 보정후 오차를 도시한 그래프이다.

도 17은 주기가 2배가 되는 모드 호프 펄스의 주기의 도수분포를 도시한 그래프이다.

도 18은 계수시 누락된 모드 호프 펄스 중에 주기가 2로 나누어지는 모드 호프 펄스의 주기의 도수분포를 도시한 그래프이다.

도 19는 계수시 누락된 모드 호프 펄스 중에 주기가 2로 나누어지는 모드 호프 펄스의 주기의 도수분포를 도시한 그래프이다.

도 20은 계수시 모드 호프 펄스의 누락 계수 및 과잉 계수가 동시에 발생한 경우 모드 호프 펄스의 주기의 도수분포를 도시한 그래프이다.

도 21은 본 발명의 제 1 실시에서 보정후에 계수결과에서 오차가 발생하는 경우를 설명하기 위한 그래프이다.

도 22는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 거리계의 구성을 도시한 블록도이다.

도 23은 종래 레이저 측정장치에서 반도체 레이저의 복잡한 공진모델을 도시한 도면이다.

도 24는 반도체 레이저의 발진파장광 내장형 포토다이오드의 출력파형 간의 관계를 도시한 그래프이다.

*주요 도면부호에 대한 간단한 설명*

1: 반도체 레이저 3: 렌즈

4: 레이저 드라이버 5: 전류/전압 변환 증폭기

8: 계수장치 9: 연산장치

10: 표시장치 11: 필터회로

81: 판정부 82: 계수부

83: 카운터 84: 계수결과 보정부

85: 기억부 840: 주기측정부

841: 도수분포 작성부 842: 대표치 산출부

843: 보정치 산출부

Claims

계수기간동안 입력되고 거리, 변위, 속도, 진동 중 적어도 하나를 포함하는 물리량과 선형관계에 있으며 상기 물리량이 상수인 경우 하나의 주파수를 갖는 전기신호의 개수를 계수하기 위한 계수수단(80)과,

전기신호가 상기 계수기간동안 입력될 때마다 전기신호의 주기를 측정하기 위한 주기측정수단(840)과,

상기 주기측정수단에 의해 구해진 측정결과로부터 상기 계수기간동안 전기신호 주기의 도수분포를 작성하기 위한 도수분포 작성수단(841)과,

상기 도수분포 작성수단에 의해 작성된 도수분포로부터 전기신호 주기의 분포에 대한 대표치를 산출하기 위한 대표치 산출수단(842)과,

상기 대표치 산출수단에 의해 산출된 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 상기 대표치 산출수단에 의해 산출된 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고, 상기 도수의 총 합(Nw 및 Nw)을 기초로 상기 계수수단에 의해 구해진 계수결과를 보정하기 위한 보정치 산출수단(843)을 구비하는 계수장치.
제 1 항에 있어서,

상기 대표치 산출수단은 대표치로서 중앙치, 모드(mode) 및 평균치 중 하나를 계산하는 계수장치.
제 1 항에 있어서,

상기 보정치 산출수단은 N' = N + Nw - Ns에 따라 상기 계수수단에 의한 계수결과(N)로부터 보정 후에 계수결과(N')를 구하는 계수장치.
제 1 항에 있어서,

상기 보정치 산출수단은 제 1 소정 배수와 제 2 소정 배수가 각각 0.5와 1.5인 부류에 있는 도수의 총 합(Ns 및 Nw)을 구하는 계수장치.
측정대상(12)으로 레이저빔을 방출하는 반도체 레이저(1)와,

발진파장이 연속적으로 단조 증가하는 적어도 하나의 기간을 포함하는 제 1 발진기간과 발진파장이 연속적 단조 감소하는 적어도 하나의 기간을 포함하는 제 2 발진기간이 번갈아 나타나도록 상기 반도체 레이저가 동작하게 하는 레이저 드라이버(4)와,

상기 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 빔과 상기 측정대상으로부터의 광 피드백에 의해 야기된 간섭파형을 포함하는 전기신호를 획득하는 신호획득장치(2,13)와,

상기 신호획득장치로부터 출력신호에 포함된 간섭파형의 개수를 계수하기 위한 계수수단(80)과,

간섭파형이 계수기간 동안 입력될 때마다 간섭파형의 주기를 측정하기 위한 주기측정수단(840)과,

상기 주기측정수단에 의해 구해진 측정결과로부터 상기 계수기간동안 간섭파형의 주기의 도수분포를 작성하기 위한 도수분포 작성수단(841)과,

상기 도수분포 작성수단에 의해 작성된 도수분포로부터 간섭파형의 주기분포의 대표치를 산출하기 위한 대표치 산출수단(842)과,

상기 도수분포 작성수단에 의해 작성된 도수분포로부터 상기 대표치 산출수단에 의해 산출된 상기 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 상기 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고, 상기 도수의 총 합(Nw 및 Nw)을 기초로 상기 계수수단에 의해 구해진 계수결과를 보정하기 위한 보정치 산출수단(843)과,

상기 보정치 산출수단에 의해 보정된 계수결과로부터 상기 측정대상까지의 거리를 구하기 위한 연산수단(9)을 구비하는 거리계.
제 5 항에 있어서,

상기 신호획득장치는 레이저 빔과 광 피드백 사이의 간섭광을 전기신호로 변환하는 수광장치(2)인 거리계.
제 5 항에 있어서,

상기 신호획득장치는 레이저 빔과 광 피드백 간의 셀프믹싱(self-mixing) 효과에 의해 야기된 간섭파형을 포함하는 전기신호를 검출하는 검출기(2,13)를 구비하는 거리계.
제 7 항에 있어서,

상기 검출기는 상기 반도체 레이저로부터 출력된 광을 전기신호로 변환시키는 수광장치(2)를 구비하는 거리계.
제 7 항에 있어서,

상기 검출기는 상기 반도체 레이저의 말단 간의 전압을 검출하는 전압검출회로(13)를 구비하는 거리계.
제 5 항에 있어서,

상기 대표치 산출수단은 대표치로서 중앙치, 모드, 및 평균치 중 하나를 산출하는 거리계.
제 5 항에 있어서,

상기 보정치 산출수단은 N' = N + Nw - Ns에 따라 상기 계수수단에 의한 계수결과(N)로부터 보정 후에 계수결과(N')를 구하는 거리계.
제 5 항에 있어서,

상기 보정치 산출수단은 제 1 소정 배수와 제 2 소정 배수가 각각 0.5와 1.5의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns 및 Nw)을 구하는 거리계.
계수기간동안 입력되고 거리, 변위, 속도, 진동 중 적어도 하나를 포함하는 물리량과 선형관계에 있으며 상기 물리량이 상수인 경우 하나의 주파수를 갖는 전기신호의 개수를 계수하기 위한 계수하는 단계와,

전기신호가 상기 계수기간동안 입력될 때마다 전기신호의 주기를 측정하는 단계와,

주기측정결과로부터 상기 계수기간동안 전기신호 주기의 도수분포를 작성하는 단계와,

상기 도수분포로부터 전기신호 주기의 분포에 대한 대표치를 산출하는 단계와,

상기 도수분포로부터 상기 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 상기 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고, 상기 도수의 총 합(Nw 및 Nw)을 기초로 계수된 전기신호 개수를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 계수방법.
제 13 항에 있어서,

상기 산출하는 단계는 대표치로서 중앙치, 모드 및 평균치 중 하나를 계산하는 단계를 포함하는 계수방법.
제 13 항에 있어서,

상기 보정하는 단계는 N' = N + Nw - Ns에 따라 신호의 계수결과(N)로부터 보정 후에 계수결과(N')를 구하는 단계를 포함하는 계수방법.
제 13 항에 있어서,

상기 보정하는 단계는 제 1 소정 배수와 제 2 소정 배수가 각각 0.5와 1.5의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns 및 Nw)을 구하는 단계를 포함하는 계수방법.
발진파장이 연속적으로 단조 증가하는 적어도 하나의 기간을 포함하는 제 1 발진기간과 발진파장이 연속적 단조 감소하는 적어도 하나의 기간을 포함하는 제 2 발진기간이 번갈아 나타나도록 반도체 레이저(1)를 동작하게 하는 단계와,

상기 반도체 레이저로부터 방출된 레이저 빔과 측정대상(12)으로부터의 광 피드백에 의해 야기된 간섭파형을 포함하는 전기신호를 획득하는 단계와,

상기 획득된 전기신호에 포함된 간섭파형의 개수를 계수하는 단계와,

간섭파형의 개수가 계수되는 계수기간 동안 간섭파형이 입력될 때마다 간섭파형의 주기를 측정하는 단계와,

주기 측정결과로부터 상기 계수기간동안 간섭파형 주기의 도수분포를 작성하는 단계와,

상기 도수분포로부터 간섭파형의 주기 분포의 대표치를 산출하는 단계와,

상기 도수분포로부터 상기 대표치의 제 1 소정 배수 이하의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns)과 상기 대표치의 제 2 소정 배수 이상의 부류에 있는 도수의 총 합(Nw)을 구하고, 상기 도수의 총 합(Nw 및 Nw)을 기초로 계수된 간섭파형의 개수를 보정하는 단계와,

간섭파형의 보정된 개수로부터 상기 측정대상까지의 거리를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정방법.
제 17 항에 있어서,

상기 획득하는 단계는 레이저 빔과 광 피드백 간의 간섭을 전기신호로 변환하는 단계를 포함하는 거리측정방법.
제 17 항에 있어서,

상기 획득하는 단계는 레이저 빔과 광 피드백 간의 셀프믹싱 효과에 의해 야기된 간섭파형을 포함하는 전기신호를 검출하는 단계를 포함하는 거리측정방법.
제 19 항에 있어서,

상기 검출하는 단계는 반도체 레이저로부터 출력된 광을 전기신호로 변환하는 단계를 포함하는 거리측정방법.
제 19 항에 있어서,

상기 검출하는 단계는 상기 반도체 레이저의 말단 간의 전압을 검출하는 단계를 포함하는 거리측정방법.
제 17 항에 있어서,

상기 산출하는 단계는 대표치로서 중앙치, 모드, 및 평균치 중 하나를 산출 하는 단계를 포함하는 거리측정방법.
제 17 항에 있어서,

상기 보정하는 단계는 N' = N + Nw - Ns에 따라 신호의 계수결과(N)로부터 보정 후에 계수결과(N')를 구하는 단계를 포함하는 거리측정방법.
제 17 항에 있어서,

상기 보정하는 단계는 제 1 소정 배수와 제 2 소정 배수가 각각 0.5와 1.5의 부류에 있는 도수의 총 합(Ns 및 Nw)을 구하는 단계를 포함하는 거리측정방법.