KR20030067661A - 거리 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조준된 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 광학 측정빔의 위상측정에 기초하여 거리를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 이때 상기 측정대상에는 측정장치로부터 방사된, 세기 변조된 광학 측정빔이 공급되고, 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 측정빔은 측정장치 내에 배치된 수신기에 의해 검출되어 전기 측정신호로 변환된다. 그런 다음 상기 전기 측정신호는, 산출된 위상차이로부터 측정장치와 측정대상간 간격을 산출할 수 있도록, 기지의 기준간격을 통해 안내되는 측정 광의 부분의 검출 및 변환으로부터 생성되는 기준신호와 비교된다. 방사된 측정빔은 버스트 변조되고, 수신기의 측정신호는 단지 유효 버스트 주기동안에만 평가된다. 또한 본 발명은 전술한 방법을 실행하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

거리 측정 방법 및 장치{Method and device for measuring distances}
일반적인 유형의 거리측정장치는 선행기술로부터 충분히 공지되어 있다. 상기 측정장치는 20~30 미터의 거리측정영역을 포함하며, 종종 수동장치로서 설계된다. 상기 측정장치는 주로 공사측량에서 혹은 내부공사에서 예컨대 공간의 3차원 측정을 위해 사용된다. 거리측정장치에 대한 추가의 적용분야는 측지측정 및 산업용 측정이다. 공지된 장치를 이용한 거리측정의 원리는, 장치에 의해 측정되고, 조준된 대상으로부터 반사된 전자기 빔의 특성값의 시간에 따른 변화의 평가에 기인한다. 그 외에도 상기 거리측정장치는 세기가 변조된 빔을 방사하기 위한 송신기를 장치하고 있다. 이때 수동장치의 경우, 특히, 측정점의 조준을 용이하기 위해, 가시 파장 스펙트럼의 광빔이 문제가 된다. 상기 광빔은 조준된 측정대상으로부터 반사되거나 산란되며, 장치 내에 내장된 수신기에 의해 기록된다. 송신기에 의해 방사된 빔에 반하여, 수신되는 변조된 빔의 시간에 따른 지연으로부터 측정대상까지의 거리가 제공된다.
디텍터로서 공지된 거리측정장치의 경우 통상 측정대상으로부터 반사되거나산란된 빔을 전기신호로 변환하기 위한 Pin-포토다이오드 또는 애벌란시-포토다이오드가 사용된다. 가장 일반적인 거리측정장치는 그 거리측정이 위상측정의 측정원리에 기인하는 거리측정장치이다. 상기 장치의 경우, 전기 수신신호는 애벌란시 포토다이오드에서 곧바로, 혹은 사전 증폭기 이후에 믹서 주파수(mixer frequency)와 겹쳐져서 저주파 측정신호로 된다. 이러한 저주파 신호에서 위상이 결정되고, 이 위상은 기준신호(reference signal)의 위상과 비교된다. 기준신호의 위상에 대한 저주파 측정신호의 측정된 위상의 차이는 측정대상의 거리에 대한 척도이다.
EP-B-0 738 899에서는 거리측정 시에 가시 빔에 대한 레이저 다이오드의 특성변화와 이와 결부된 정밀도 문제가 기술되어 있다. 거리측정의 정밀도를 개선하기 위해, 상기 명세서에서는, 2ns 이하의 펄스폭을 가지는, 방사된 레이저빔을 변조시키는 점이 제안된다. 이때 상기의 공지된 장치의 변조 주파수는 대략 50MHz의 영역 내에 위치한다. 펄스폭이 예컨대 1ns이며, 주기는 20ns인 펄스에서, 상기의 공지된 장치의 경우, 이 장치에서 사용되는 레이저 클래스 2급에 대해 여전히 허용되는 1mW의 평균 전력을 달성하기 위해, 약 20mW의 펄스전력(pulse power)이 요구된다. 제안된 변조방식은, 상승한 펄스전력에 의해 연속의 3mW 작동에 반하여 레이저의 수명의 보다 큰 손실을 감수할 필요 없이, 통상적인 수동식 3mW 레이저로써 여전히 변환 가능하다. 이러한 점은 조준된 측정대상의 대개 거친 표면으로부터 반사된 빔에 있어 일반적으로 입상화된 세기분포의 감소를 초래한다. 상기의 입상화된 세기분포는 또한 스페클(speckle)과 관련하여 공지되어 있는 것으로 달성 가능한 측정정밀도에 영향을 미친다. 디텍터 상에 떨어지는 반사된 측정빔 내 스페클의 감소에 의해 측정정밀도는 mm 영역 내에서 달성될 수 있다.
기존의 방법 및 장치의 개선 가능성은, 측정 빔의 변조주파수를 계속해서 증가시키는 점에 있다. 주파수가 보다 높은 경우, 신호 경사도(signal steepness)는 제로 크로싱에서 보다 커지며, 그로 인해, 내부 노이즈가 신호레벨을 저하시키는 동안의 시간간격(△t)은 단축된다. 그러나 시간간격의 단축은, 요구되는 정밀도로 거리가 결정 가능한 측정영역이 감소된다는 단점을 갖는다. 변조 주파수가 50MHz인 경우 3m의 거리는 요구되는 정밀도로 측정될 수 있는 반면, 주파수가 예컨대 400MHz인 경우에는 오직 37.5cm만 측정 가능하다. 위상측정에 기초한 거리측정 시에 추가로, 거친 거리(coarse distance)를 결정하기 위해, 측정 빔의 보다 낮은 변조주파수가 사용된다. 그러므로 정밀측정을 위해 변조주파수가 보다 높은 경우, 거친 거리를 측정하기 위해, 증가된 비용이 소요되어야 한다.
본 발명은 방법의 독립 청구항 제 1 항의 전제부 내지 장치의 독립 청구항 제 11 항에 따르는 거리를 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1 내지 도 3은 레이저 다이오드의 특성값을 도해하기 위한 다이아그램이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 변형예의 기능을 설명하기 위한 개략도이다.
공지된 거리측정장치로써 이미 양호한 결과를 달성할 수 있지만, 그럼에도 공지된 거리측정장치에 반하여 성능의 추가의 개선에 대한 여력이 존재한다. 상기의 개선의 목표는 예컨대 보다 짧은 측정시간, 보다 정확한 측정장치, 보다 넓은 도달영역, 혹은 보다 작은 집광기 사용에 의한 거리측정장치의 보다 작은 디자인이다. 레이저 전력(laser power)의 조절은 간소화되어야 하며, 축전지 또는 바테리 작동식 수동장치로서 거리측정장치를 설계하는 관점에서 레이저의 전류소비량은 감소되어야 한다. 이때 반도체 기술의 계속적인 발전이 고려될 수 있는 거리측정 방법 및 장치가 제공되어야 한다.
상기 목적의 해결방법은, 특허 청구항 제 1 항의 특징부 내에 기입된 특징들을 포함하는 방법에서 제시된다. 상기 방법을 실행하기 위한, 본 발명에 따라 설계된 장치는 특히 특허 청구항 제 11 항의 특징부에 기입된 특징들을 포함한다. 본 발명의 선호되는 실시의 변형예 및/또는 개선예는 종속항의 대상이다.
본 발명에 따른 거리측정 방법은, 조준된 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 광학 측정빔(optical measuring beam)의 위상 측정에 기인한다. 이때 측정대상에는 측정장치로부터 방사된, 세기 변조된 광학 측정빔이 공급되고, 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 측정빔은 측정장치 내에 배치된 수신기에 의해 검출되어, 전기 측정신호로 변환된다. 그런 다음, 산출된 위상차이로부터 측정장치와 측정대상간 간격을 산출하기 위해, 상기 전기 측정신호는, 기지의 기준간격에 의해 유도된 측정 광의 부분(portion of measuring light)의 검출 및 변환으로부터 생성된 기준신호와 비교된다. 방사된 측정빔은 버스트(burst) 변조되며, 수신기의 측정신호는 단지 유효 버스트 주기(active burst period)에 종속되는 시간간격동안에만 평가된다.
이때 유효 버스트 주기는 버스트신호가 요구되는 시간간격이다. 변조신호가 요구되지 않는 버스트 및 부동시간(dead time)의 기간 혹은 시퀀스는 측정기간으로서 지시된다. 버스트 신호는, 측정기간에 대한 유효 버스트 주기의 비율로서 %로 정의되어 있는 충격계수(Duty Cycle)를 포함한다. 그렇게 함으로써 버스트 변조는, 변조신호가 측정기간의 전체기간에 걸쳐 거의 연속적으로 요구되는 펄스변조와 구분된다. 그에 반해 버스트 변조의 경우는 변조신호가 단지 측정기간 중 한 부분동안만 요구된다. 그러므로 전술한 정의에 따라 펄스변조 시에 충격계수는 항상 100%이며, 반면 버스트 변조 시 값은 항상 100%보다 작다. 버스트 변조는 바람직하게는 구형파 변조된 버스트 신호를 이용하여 이루어진다. 구형파 변조된 버스트는 전체적으로 첨두전력을 감소시킨다. 충격계수는 무엇보다 신호/노이즈-비율(S/N)에서 달성 가능한 개선에 대한 척도이다. 버스트 신호는 버스트 내부에서 신호 특성곡선의 주기에 종속되는 변조주파수를 포함하고 있다. 유효 버스트 주기에 유사하게 유효 변조주파수 또한 정의될 수 있다. 이러한 유효 변조주파수는 신호가 제로(0)와는 다른 시간간격에 종속된다. 변조주파수에 대한 유효 변조주파수의 비율로부터 변조주파수의 충격계수는 %로 결정될 수 있다.
단지 유효 버스트 주기동안에만 수신기의 측정신호를 평가함으로써, 신호/노이즈-비율(S/N)은 개선된다. 이러한 점은 평균 출력전력의 최대값이 1mW인 레이저 클래스 2급의 레이저의 실례에서 언급된다. 만약 공지된 장치에서 첨두전력이 2.5mW로 방사된 측정빔 대신에 10% 충격계수, 즉 25mW의 첨두전력을 가지는 레이저 버스트가 400MHz의 변조주파수에서 방사된다면, 다시금 1mW의 평균 레이저 전력을 획득하게 된다. 수신신호가 단지 유효 버스트 주기동안에만 평가되면서, 만약 연속적인 신호가 합산될 수도 있다면 발생할 수도 있는 동일한 전체 신호를 획득하게 된다. 그러나 주기의 90% 동안 어떠한 평가도 이루어지지 않는다면, 노이즈의 90% 또한 억제된다. 그로부터 인수 √(10) 내지 제곱근(10) 만큼 신호/노이즈 비율(S/N)의 개선이 실현된다.
버스트 변조는 또한 레이저 전력 조절의 간소화를 제공하면서, 전류소비량의감소를 허용한다. 예컨대 공지된 거리측정장치에서 사용되는 것과 같은 통상적인 레이저는 25℃에서 레이저 효과가 개시되는 대략 40mA의 임계전류(구동전류)를 포함한다. 레이저 다이오드 후방에 배치되는 레이저 조준기 내에서 손실이 발생하기 때문에, 레이저 다이오드에 대한 레이저 전력은, 장치의 레이저 빔 홀(laser beam hole)에서 레이저 클래스와 관련된 전력과 동일하지 않다. 1mW의 출력전력을 가지는 레이저 클래스 2급의 장치의 경우, 25℃에서 대략 41mA의 구동전류(drive current)가 요구된다. 10mW의 출력전력에서, 상기 구동전류는 대략 51mA이다. 만약 평균 출력전력이 1mW인 경우 10mW의 버스트 변조가 10%의 충격계수로서 변조된다면, 평균 구동전류는 대략 5.1mA가 필요하게 된다. 레이저 전압은 보다 높은 전류에서 단지 대략 10%만큼만 보다 증가하기 때문에, 본 실례에서 대략 9의 인수만큼의 제어전력의 감소가 달성된다.
버스트변조의 추가의 장점은 레이저 전력의 비임계 조정에 있다. 레이저 클래스 2급의 장치에서, 레이저의 모든 작동조건에서 평균 레이저전력이 장치의 레이저 빔 홀에서 1mW를 초과하지 않는 점이 보장되어야 한다. 레이저의 조절은 대개 직류에 고주파 변조전류가 겹쳐지는 방식으로 이루어진다. 직류로써 레이저전력이 조절된다. 레이저의 슬로프 효율(slope efficiency)이 대략 1mW/mA인 경우, 레이저전류는, 연속 작동 시에 평균 출력전력이 1mA에서 원하는 전력 정밀도(power accuracy)가 2%인 경우, 대략 20㎂로 정확하게 조절되어야 한다. 앞서 기술한 바와 같은 버스트 변조 시에, 전류는 동일한 전력 정밀도에서 단지 대략 200㎂의 정밀도로 조절되어야 한다. 구동전류의 요구되는 정밀도는 버스트 변조의 충격계수의 인수만큼 감소한다.
버스트 변조는, 실제로 단지 하나의 첨두로 제한되는 유효 버스트 주기를 이용하여 이루어질 수 있다. 그러나 바람직하기로는 상기의 유효 버스트 주기는, 이 유효 버스트 주기로부터 대략 5% ~ 대략 50%, 바람직하게는 10% ~ 대략 40%에 이르는 충격계수가 생성되는 방식으로, 선택된다. 버스트 주기에 대해 선택된 값을 이용하여, 공지된 측정방법에 대한 충분한 개선이 달성될 수 있다.
버스트 변조의 효과에 대해서는, 평균의 측정빔이 100MHz 이상의 변조주파수와 10mW 이상의 첨두전력을 이용하여 변조될 때, 바람직한 것으로 증명된다. 버스트 변조 시에 레이저의 보다 높은 첨두전력은 방사된 레이저빔의 코히어런스 길이 또한 단축시키는데, 왜냐하면 레이저는 펄스폭이 동일하지만 그러나 첨두전력이 보다 높은 경우에 다수 개의 모드(mode)를 빠르게 통과하기 때문이다. 이러한 점은 측정장치의 정밀도에 바람직하게 작용한다.
본 발명에 따른 방법의 변형예에서, 전기 측정신호는 고주파 믹서 주파수의 연속 겹침에 의해 저주파 신호로 변환되고, 단지 버스트 주기동안에만 공급된다. 이때 상기 믹서 주파수는 또한 버스트로서 존재할 수 있다. 이러한 점에서 믹서 주파수는 예컨대 버스트 신호의 변조주파수의 값 ±저주파 신호의 주파수값에 상응한다. 노이즈의 필터링은 아날로그 저주파 신호에서 이루어질 수 있다. 본 발명의 선호되는 변형예에서 노이즈의 필터링은 디지털 신호처리에서 저주파 신호의 디지털화 후에 실행된다. 버스트 주기는 바람직하게는 저주파 측정신호의 대략 1½주기기간으로 선택된다. 버스트 주기의 첫 번째 ⅓은 필터가 형성될 수 있도록 하기 위해 필요하다. 그런 다음 신호는 단지 그 다음에 오는, 저주파 측정신호의 완전한 주기에 상응하는, 버스트 주기의 두 번째 ⅓동안에만 합산된다. 이때 버스트 주파수는 바람직하게는 충격계수의 인수에 의해 나누어지는 저주파 측정신호의 주파수로 선택된다. 필터의 형성과정(building-up process)에 의해 상실된 저주파 측정신호의 주기에도 불구하고, A/D 컨버터의 스캐닝 주파수의 증가 및 사용되는 안티-앨리어싱 필터(anti-aliasing filter)의 최적화에 의해 개선될 수 있는, 신호/노이즈 비율(S/N)의 충분히 높은 개선이 여전히 달성될 수 있다.
본 발명의 대체되는 실시의 변형예에서, 전기 측정신호는 단지 버스트 주기의 대략 1배 ~ 3배에 이르는 시간간격동안에만 버스트로서 존재하며, 바람직하게는 대략 버스트주파수에 상응하는 고주파 믹서 주파수와 겹쳐지고, 저주파 신호로 변환된다. 그런 다음 저주파 측정신호는 위상변위를 고려하여 평가된다. 버스트 주기에 반하여 증가된 혼합기간은, 수신신호가 송신버스트에 대한 측정될 거리의 함수로 변위되는 상황을 고려한다. 버스트 주파수는 저주파 신호의 주파수보다 높게 선택된다. 이러한 방법에서 바람직하기로는 버스트 주파수가, 거친 거리를 결정하기 위한 거친 주파수로서 이용될 수 있는 방식으로 높게 선택될 수 있다.
본 발명의 추가의 변형예에서, 수신기로부터 공급되는 고주파 전기 측정신호가 여파되고, 후방에 배치된 신호평가장치에서 기준신호와 비교되며, 그에 따라 원하는 간격을 산출할 수 있도록, 위상변위를 고려하면서 평가된다. 노이즈의 필터링은 바람직하게는 디지털 신호처리장치에서 고주파 신호의 디지털화 후에 이루어진다.
본 발명에 따른 거리측정장치들은, 다음의 선행기술로부터 공지된 거리측정장치들과 함께 다음의 특징을 공통으로 갖는다: 광빔의 방사를 위한 송신기; 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 광학 측정빔용 집광기; 집광기 후방에 배치되어 광빔을 전기 측정신호로 변환하기 위한 수신기; 기지의 기준간격을 통과한 후에 전기 기준신호로 변환될 수 있는 기준 빔의 생성장치; 간섭신호의 필터링용 필터장치; 측정대상의 간격을 결정하고 사용자에게 그 결과를 제공할 수 있도록, 측정신호 및 기준신호의 위상위치를 고려하면서 상기 측정신호 및 기준신호를 조사하기 위한 바람직하게는 디지털 방식의 신호처리시스템. 본 발명에 따르는 거리측정장치는, 송신기가 주파수합성기와 연결되어 있으며, 상기 주파수합성기로는 방사된 광빔에 버스트 변조식 고주파 변조주파수가 가해질 수 있는 점, 그리고 전기 측정 및 기준신호의 평가가 버스트 주기에 결부되어 있는 점을 특징으로서 갖는다. 이러한 기본적인 장치는 위상측정을 기초로 하는 본 발명에 따른 거리측정장치의 모든 변형예에 공통사항이다. 광학 기준빔(optical reference beam)은 예컨대 빔 스플리터(beam splitter)에 의해 생성되며, 상기 빔 스플리터는 방사된 광빔을 측정빔과 기준빔(reference beam)으로 분리한다. 이때 기준빔의 광로(beam path) 내에는 별도의 기준 수신기(reference receiver)가 배치되어 있다. 상기 기준 수신기는 기준빔을 기준간격의 통과 후에 전기 기준신호로 변환시킨다. 그러나 광빔은 또한 주기적으로 측정대상으로 안내되거나 혹은 기준간격을 통해 수신기로 안내될 수 있다. 그 외에도 예를 들어 광로 내에서 주기적으로 방향전환 가능한 경동미러(tilted mirror)가 제공되어 있을 수 있다.
버스트 변조에 대해 바람직한 경우는, 송신기로서 반도체 레이저 다이오드가, 바람직하게는 약 630nm ~ 약 650nm 영역의 파장을 가지는 가시 광빔용으로 사용될 때이다. 상기의 반도체 레이저 다이오드는 요구되는 평균 출력전력으로써 작동될 수 있으며, 특히 거의 수명에 대한 손실 없이 필요한 펄스에너지를 공급할 수 있다.
필터장치는 적어도 하나의 고주파필터를 포함하고, 상기 고주파필터는 전기 신호경로 내에 신호처리시스템의 전방에 배치되어 있으면서, 저주파 신호로의 변환이 포기될 수 있다. 노이즈의 필터링은 곧바로 고주파 측정신호 내지 기준신호 상에서 이루어진다. 그런 다음 여파된 신호는 신호처리 시스템 내에서 계속 처리된다.
본 발명의 대체되는 실시의 변형예에서, 측정신호 및 기준신호의 전기 신호경로 내에 각각 하나의 주파수 믹서(frequency mixer)가 제공되어 있다. 상기 주파수 믹서는 필터장치 전방에 배치되어 있으면서, 고주파 믹서 주파수와 고주파 전기 측정 내지 기준신호를 겹치게 하는 역할을 한다. 상기 고주파 믹서 주파수와 상기 고주파 측정신호 내지 기준신호의 겹침에 의해, 후방에 배치된 하나 혹은 그 이상의 저주파 필터에서 노이즈로부터 자유로워진 저주파 측정신호 내지 기준신호가 생성된다. 그런 다음 여파된 저주파 신호는 디지털화되고, 신호처리시스템에서 위상위치로부터 측정대상의 거리를 결정하기 위해 계속 처리된다. 저주파 필터로서 바람직하게는 안티-앨리아싱 필터가 사용된다.
다음에서 본 발명은 도면에 개략적으로 도시된 실시예와 관련하여 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 레이저 다이오드의 출력전력에 대한 빛 파장의 종속성을 도시하고 있다. 펄스폭이 동일하고, 첨두전력이 보다 높은 경우, 레이저는 다수의 모드를 빠르게 통과한다. 이러한 점은 방사된 레이저 빛의 코히어런스 길이를 단축시키며, 결과적으로 레이저를 장착한 측정장치의 정밀도에 긍정적으로 작용한다. 반도체 테크놀러지의 진보는 주파수가 더욱 더 높아지는 경우에서의 신호의 생성 및 처리를 허용하고 있다. 거리측정장치의 경우 상기의 개선된 테크놀러지는 장치의 성능을 개선하는 데에도 사용될 수 있다. 개선점이라고 하면 보다 짧은 측정시간, 보다 정확한 측정장치, 보다 넓은 도달영역 혹은 계속해서 작아지는 장치 및, 그로 인한 보다 낮은 수신신호레벨을 가지는 보다 작은 집광기를 들 수 있다. 주파수가 보다 높은 경우 신호는 제로 크로싱에서 보다 큰 슬로프를 갖는다. 그럼으로써 노이즈 신호가 실제적인 측정신호를 저하시키는 동안의 시간간격은 단축된다.
도 2는 온도가 상이한 경우 반도체 레이저의 제어특성을 도시하고 있다. 평균 출력전력이 1mW인 경우, 레이저는 25℃에서 대략 41 mA의 구동전류를 갖는다. 제어특성의 경사도의 결과로, 상기 구동전류는, 10 mA의 출력전력에서, 대략 51mA에 이른다. 레이저의 평균 출력전력이 10배만큼 증가하면, 결과적으로 단지 대략 10mA만큼만 구동전류가 상승하게 된다. 레이저 전압은 구동전류가 상승한 경우 단지 대략 10% 만큼만 보다 상승한다.
도 3은 방사된 광빔의 본 발명에 따른 버스트 변조에 대한 특성값을 도시하고 있다. 버스트 신호 스트링(burst signal string)(S)이 요구되는 시간간격은 유효 버스트 주기(tBURST-ON)로서 지시된다. 변조신호가 요구되지 않는 버스트 및 부동시간의 시퀀스의 주기는 측정주기(tBURST)로서 지시된다. 버스트 신호는, 측정주기(tBURST)에 대한 유효 버스트 주기(tBURST-ON)의 비율로서 %로 정의되어 있는 충격계수를 갖는다. 그럼으로써 버스트 변조는, 변조신호가 측정주기의 전체기간에 걸쳐 거의 연속해서 요구되는 펄스변조와 구분된다. 그에 반해 버스트 변조 시에는 변조신호가 단지 측정주기의 오직 일부분 동안만 요구된다. 그러므로, 전술한 정의에 따라, 펄스변조 시에 충격계수는 항상 100%이며, 반면 버스트 변조 시에 값은 항상 100%보다 작다. 버스트 변조는, 바람직하게는 구형파 변조된 버스트 신호(S)를 이용하여 이루어진다. 구형파 변조된 버스트(S)는 전체적으로 감소된 첨두전력을 야기한다. 충격계수는 무엇보다 신호/노이즈-비율(S/N)에서 달성 가능한 개선에 대한 척도이다. 버스트 신호는, 버스트 내부에서 신호 특성곡선의 주기(tS)에 종속되는 변조주파수(M)를 포함한다. 유효 버스트 주기에 유사하게, 또한 유효 변조주파수(MON= 1/tS-ON)가 정의될 수 있다. 이러한 유효 변조주파수는, 신호가 제로로부터 변위되어 있는 시간간격에 종속된다. 변조주파수에 대한 유효 변조주파수의 비율로부터 변조주파수의 충격계수가 %로 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 거리측정장치의 제 1 변형예에 대한 개략도이다. 레이저 소스(1)로부터 방사되고, 광조준기(2)(light collimator)로부터 조준된 광빔(L)은 빔 스플리터(7)에 의해 측정 광선빔과 기준 광선빔으로 분리된다. 측정빔은, 거리측정장치로 간격을 측정하여야 하는 측정대상에 도달하게 된다. 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 빔(R)은 집광기(3)에 의해 집광되어, 측정수신기(4) 상으로 안내된다. 측정수신기(4)로서, 예컨대 보호저항기(5)를 통해 가변 바이어스 전압부(6)(variable bias voltage)에 의존하는 애벌란시 포토다이오드가 사용된다. 기준빔에 의해 통과되는, 빔 스플리터(7)에서 기준 수신기(10)까지의 이동경로는 기지의 기준간격을 형성한다.
레이저 소스(1)로부터 방사된 광빔에는, 기준 크리스탈(13)(reference crystal)로부터 제어되는 주파수합성기(12)로부터 생성되는 고주파 변조주파수(M)가 가해진다. 고주파 변조주파수(M)에 의해 수신기(4)와 기준 수신기(10)에서는 각각 고주파 측정신호가 생성된다. 상기 주파수합성기(12)는, 동시에 처리라인을 통해 주파수 믹서(11)와 수신기(4)로 공급되는, 유사하게 높은 주파수의 믹서 주파수(F) 또한 생성한다. 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 빔에 대한 수신기(4)는 애벌란시 포토다이오드로서 설계되어 있으며, 그로 인해 다이렉트 믹서로서 기능 한다. 애벌란시 포토다이오드 대신에 PIN-다이오드가 사용되는 경우에는, 추가의 주파수 믹서가 요구되는데, 상기 주파수 믹서에서는 믹서 주파수(F)가 측정신호와 겹쳐진다. 믹서주파수(F)와의 겹침에 의해, 수신기(4)로부터 생성된 측정신호는 저주파 측정신호(NF)로 변환된다. 유사한 방식으로, 고주파 기준신호는 주파수 믹서(11) 내에서 믹서 주파수(F)와 겹쳐져서 저주파 보정신호(NF-CAL)로 된다. 이때 믹서 주파수(F)는, 바람직하게는 F = (n x M) ± NF가 적용되는 방식으로 선택된다. 그로 인해 믹서 주파수(F)는 변조주파수(M)의 정수배수에서 저주파 신호(NF)의 값만큼 증가되거나 감소된 값이다. 이때 n은 영(0)보다 크다.
저주파 측정신호(NF) 내지 보정신호(NF-CAL)는 아날로그 스위치(14)를 통해 순차적으로 저주파 필터(15)로 공급된다. 상기 저주파 필터에서 고주파 신호 부분은 필터링된다. 바람직하게는 필터라고 하면 안티-앨리아싱 필터이다. 여파되고 증폭된 측정 내지 기준신호는 아날로그/디지털 컨버터(16) 내에서 디지털화되어, 디지털 신호처리장치(17)에서 상기 신호의 위상위치와 관련하여 평가된다. 위상위치로부터 측정대상의 거리가 추론되며, 상기 거리는 신호(O)로서 출력유닛에 전송된다.
거리측정장치의 본 발명에 따른 변형예는 주파수합성기(12)로부터 생성된 변조주파수(M)에 있다. 상기 변조주파수는 레이저 소스(1)로부터 방사된 광빔에 가해진다. 특히 이러한 점에서 버스트(B)를 이용한 버스트 변조가 고려된다. 상기 버스트의 버스트 주파수는 저주파 측정신호(NF)의 주파수에 비해 작다. 버스트 변조의 결과로 버스트(B)로 송출되는 측정빔(L)은 주기적으로 보다 긴 부동시간구간으로부터 분리된다. 그 결과 측정신호를 포함하지 않는 긴 구간에 의해 상호간에 분리되는 측정신호(NF) 내지 기준신호(NF-CAL)가 생성된다. 디지털 신호처리시스템(17) 내에서 저주파 측정신호(NF) 내지 기준신호(NF-CAL)의 평가는 마찬가지로 주파수합성기에 의해 제어되면서, 실제로 단지 버스트 주기에 종속되는 측정시간간격(E)동안에만 이루어지게 된다. 마찬가지로 주파수합성기(12)로부터 생성된 믹서 주파수(F)는 연속해서 생성될 수 있다. 더욱이 상기 믹서 주파수는 버스트로서 존재할 수 있으며, 상기 버스트의 주파수는 광빔에 가해진 변조주파수의 영역 내에 위치하게 된다.
도 5 내에 개략적으로 도시된 실시예는 송신 및 수신영역 내에 실제로 도 4로부터 제시된 실시예와 동일한 구조를 갖는다. 그러므로 유사한 컴포넌트는 동일한 도면부호를 갖는다. 레이저 소스(1)로부터 방사되고, 광조준기(2)로부터 조준된 광빔(L)은 빔 스플리터(7)에 의해 측정 광선빔과 기준 광선빔으로 분리된다. 측정빔은 거리측정장치로부터 간격이 측정되어야 하는 측정대상에 도달하게 된다. 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 빔(R)은 집광기(3)에 의해 집광되어, 측정수신기(4)로 안내된다. 수신기로서 예컨대, 보호 저항기(5)를 통해 가변 바이어스 전압부(6)에 의존하는 애벌란시 포토다이오드가 사용된다. 기준빔은 경동미러(8) 및 광학렌즈(9)를 통해 기준 수신기로 안내된다. 기준빔에 의해 통과되는, 빔 스플리터(7)에서 기준 수신기(10)까지의 이동경로는 기지의 기준간격을 형성한다.
레이저 소스(1)로부터 방사된 광빔에는, 기준 크리스탈(13)에 의해 제어되는 주파수합성기(12)로부터 생성된 고주파 변조주파수(M)가 가해진다. 고주파 변조주파수(M)에 의해 수신기(4)와 기준 수신기(10)에서는 각각 고주파 측정신호가 생성된다. 주파수합성기(12)는 또한, 동시에 연결라인을 통해 주파수 믹서(11)와 수신기(4)로 공급되는, 유사하게 높은 주파수의 믹서 주파수(F)를 생성한다. 상기 믹서 주파수(F)는 수신기(4)로부터 생성된 측정신호와 추가로 후방에 배치된 주파수 믹서(21)에서 겹쳐진다. 믹서 주파수(F)와의 겹침에 의해, 수신기(4)로부터 생성된 측정신호는 저주파 측정신호(NF)로 변환된다. 유사한 방식으로 고주파 기준신호는 주파수 믹서(11) 내에서 믹서 주파수(F)와 겹쳐져서 저주파 보정신호(NF-CAL)를 생성한다.
저주파 측정신호(NF)와 저주파 보정신호(NF-CAL)는 각각, 고주파 신호부분이 여파되는 저주파 필터(21, 22)로 공급된다. 바람직하게는 각각의 필터는 안티-앨리아싱 필터이다. 여파되고 증폭된 측정 내지 기준신호는 2개의 입력장치를 장착한 아날로그/디지털 컨버터(23) 내에서 디지털화 되고, 디지털 신호처리장치(17) 내에서 상기 신호의 위상위치가 고려되면서 평가된다. 이때 저주파 측정신호 및 기준신호는 동시에 혹은 순차적으로도 또한 평가될 수 있다. 위상위치로부터 측정대상의 거리가 추론되며, 상기 거리는 신호(O)로서 출력유닛으로 전송된다.
주파수합성기(12)로부터 생성되고, 레이저 소스(1)로부터 방사된 광빔(L)에 가해지는 변조주파수(M)는 버스트 변조된다. 그렇게 함으로써 측정빔은 버스트(B)로 송출된다. 상기 버스트의 버스트 주파수는 저주파 측정신호(NF)의 주파수에 비해 크다. 버스트(B)로 송출된 측정빔(L)은 주기적으로 보다 긴 부동시간구간으로부터 분리된다. 그 결과 측정신호를 포함하지 않은 긴 구간에 의해 상호간에 분리되는 측정신호(NF)가 생성된다. 마찬가지로 주파수합성기(12)로부터 생성된 믹서 주파수(F)는 마찬가지로 버스트(B*)로 존재하면서, 광빔(S)에 가해지는변조주파수(M)의 영역 내에 위치하는 주파수를 포함한다. 상기 믹서 주파수(F)와, 수신기(4) 및 기준 수신기(10)의 고주파 신호의 혼합은 단지 버스트 주기에 종속되는 시간간격동안에만 이루어진다. 저주파 필터(21, 22) 이후에 인가되는 연속 저주파 신호(C)의 평가는, 디지털 신호처리시스템(17) 내에서의 신호 자신의 디지털화 후에 이루어진다. 상기 신호처리시스템은 주파수합성기(12)에 연결되어 있으며, 버스트 주기에 종속되는 시간간격동안에만 상기 신호를 평가한다.
도 6 내에 도시된 본 발명의 실시예는 저주파 신호로의 고주파 측정신호 내지 기준신호의 변환을 포기하며, 고주파 신호를 직접적으로 처리한다. 송신 및 수신영역의 기본적인 구조는 계속해서 앞서 기술한 실시예에 상응한다. 그러므로 동일한 컴포넌트는 동일한 도면부호를 갖는다. 레이저 소스(1)로부터 방사되고, 광조준기(2)로부터 조준된 광빔(L)은 빔 스플리터(7)에 의해 측정 광선빔과 기준 광선빔으로 분리된다. 측정빔은 거리측정장치에 의해 간격이 측정되어야 하는 측정대상에 도달하게 된다. 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 빔(R)은 집광기(3)에 의해 집광되어, 측정수신기(4)로 안내된다. 수신기로서 예컨대 보호 저항기(5)를 통해 가변 바이어스 전압부(6)에 의존하는 애벌란시 포토다이오드가 사용된다. 기준 빔은 경동미러(8) 및 광학렌즈(9)를 통해 기준 수신기로 안내된다. 기준빔에 의해 통과되는, 빔 스플리터(7)에서 기준 수신기(10)까지의 이동경로는 기지의 기준간격을 형성한다.
레이저 소스(1)로부터 방사된 광빔에는, 기준 크리스탈(13)에 의해 제어되는 주파수합성기(12)로부터 생성된 고주파 변조주파수(M)가 가해진다. 상기 변조주파수(M)는 버스트 변조되어(B), 광빔(S)이 다발(bundle)의 방식으로 방사되도록 작용한다. 수신기(4)와 기준 광로 내에 배치되는 기준 수신기(10) 각각의 후방에는 증폭기(31, 32)가 배치되어 있다. 상기 증폭기는 고주파 측정신호(HF) 내지 기준신호(HF-CAL)를 증폭시킨다. 고주파 측정 내지 기준신호(HF 내지 HF-CAL)가 믹서 주파수와 겹쳐지지 않은 후에는 상기 신호는 버스트 변조에 상응하게 방사된 광빔(L)에 마찬가지로 다발 형태(P)로 인가된다. 고주파 측정신호(HF) 내지 기준신호(HF-CAL)는 스위치(14)를 통해 순차적으로 고주파 필터(33)로 안내된다. 고주파 필터로서 예컨대 대역필터가 사용된다. 고주파 필터에는 급속 아날로그/디지털 컨버터(34)가 연결되며, 상기 컨버터는 측정 내지 기준신호를 디지털 신호로 변환시키며, 그런 다음 상기 신호는 디지털 신호처리시스템(17) 내에서 신호 자신의 위상위치가 고려되면서 평가된다. 상기 A/D 컨버터(34)와 디지털 신호처리시스템(17)은 자신의 클럭 주파수(clock frequency)를 각각 주파수합성기로부터 그리고 버스트 주기에 종속되어 획득한다. 상기 위상위치로부터 측정대상의 원하는 거리(O)가 결정되고, 정보는 출력장치에, 예컨대 디스플레이 또는 프린터로 전송된다. 측정신호(HF) 내지 기준신호(HF-CAL)는 또한 동시에 디지털화 되어 평가될 수 있다. 이러한 경우 두 신호경로에 대해 고주파 필터가 필요하다. 아날로그 신호에서 디지털 신호로의 변환은 2개의 입력장치를 구비한 한 공통의 A/D 컨버터에서 이루어질 수 있으며, 혹은 별도의 A/D 컨버터가 제공되어 있을 수도 있다.

Claims (15)

  1. 거리측정방법으로서,
    조준된 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 광학 측정빔의 위상측정에 기초하며, 상기 측정대상에는 측정장치로부터 방사된, 세기 변조된 광학 측정빔이 공급되며, 그리고 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 측정빔은 측정장치 내에 배치된 수신기에 의해 검출되어 전기신호로 변환되며, 상기 전기 측정신호는, 산출된 위상차이로부터 측정장치와 측정대상간의 간격을 산출할 수 있도록, 기지의 기준간격에 의해 안내된 측정 광의 부분의 검출 및 변환으로부터 생성된 기준신호와 비교되는 거리를 측정하기 위한 방법에 있어서,
    상기 방사된 측정빔은 버스트 변조되고, 수신기의 측정신호는 단지 유효 버스트 주기에만 종속되는 시간간격동안에 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효 버스트 주기는, 대략 5% ~ 대략 50%, 바람직하게는 대략 10% ~ 대략 40%의 충격계수가 달성되는 방식으로, 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    방사된 측정빔이, 100MHz 이상의 변조주파수와 10mW 이상의 첨두전력을 이용하여 변조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 측정신호는 고주파 믹서 주파수의 연속 겹침에 의해 저주파 신호로 변환되고, 단지 유효 버스트 주기동안에만 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 버스트 주기는 저주파 측정신호의 대략 1½주기기간으로 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    버스트 주파수는, 버스트의 충격계수의 값에 의해 나누어지는 저주파 측정신호의 주파수로 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 측정신호는, 유효 버스트 주기의 대략 1배 ~ 3배에 이르는 시간간격동안 고주파 믹서 주파수와 겹쳐져서, 저주파 신호로 변환되며, 그리고 저주파 측정신호는, 위상변위가 고려되면서, 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 믹서 주파수는 버스트 주파수의 n-배 ± 저주파 측정신호의 값으로 선택되며, 이때 n은 정수이며 영(0)보다 큰 수인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수신기로부터 공급된 고주파 전기 측정신호는 버스트 주기의 대략 1배 ~ 3배에 이르는 시간간격동안 여파되어, 신호평가장치 내에서 기준신호와 비교되고, 결과적으로 원하는 결과를 산출할 수 있도록, 위상변위가 고려되면서 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,
    버스트 주파수가 거친 거리를 결정하기 위한 거친 주파수로서 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 위상측정의 원리에 따르는 거리측정장치로서,
    광빔(L) 방사용 송신기(1), 측정대상으로부터 반사되거나 산란된 광학 측정빔(R)용 집광기(3), 이 집광기(3) 후방에 배치되며, 광빔을 전기 측정신호를 변환시키기 위한 수신기(4), 간섭신호의 필터링용 필터장치(15, 21, 33), 그리고 결과적으로 측정대상의 간격을 결정하고 그 결과를 사용자에게 보여줄 수 있도록, 기준신호와 측정신호를 비교하고, 이 신호들의 위상위치를 조사하기 위한 신호처리시스템(17)을 포함하는 거리를 측정하기 위한 장치에 있어서,
    상기 송신기(1)는 주파수합성기(12, 13)와 연결되어 있으며, 이 주파수합성기를 이용하여서는 방사된 광빔(L)에 버스트 변조된 고주파 변조주파수(M)가 가해질 수 있으며; 그리고 전기 측정신호 및 기준신호의 평가는 유효 버스트 주기(tBURST-ON)와 결부되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    송신기(1)로서, 바람직하게는 대략 630nm ~ 대략 650nm의 영역 내 파장을 포함하는 가시 광빔(L)용 반도체 레이저 다이오드가 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    방사된 공빔(L)의 광로 내에, 상기의 방사된 광빔(L)으로부터 기준신호로 변환될 수 있기 전에 기지의 기준간격을 통해 안내될 수 있는 광학 기준빔을 생성하는 장치(7)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    기준빔을 생성하기 위한 상기 장치(7)는 빔 스플리터이며, 그리고 기준빔의 광로 내에는 기준 수신기(10)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    필터장치(33)는 전기 신호경로 내 신호처리시스템(17) 전방에 배치되는 적어도 하나의 고주파 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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