KR20100043450A - 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치 - Google Patents

코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치 Download PDF

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Abstract

개시된 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치는 파장판과 코너큐브프리즘(21)의 입사 표면(21a)을 투과한 후 직각 반사면(21b,21c)을 경유하여 반사하는 반사광의 위치와 광량에 대응한 전기신호를 검출하고 그 반사광의 입사광 광축에 대한 이탈 정도를 나타내는 동심도를 계산할 수 있다. 또한 파장판의 입사 표면을 반사한 반사광의 위치와 광량에 대응한 전기신호를 검출하여 그 반사광의 입사광 광축에 대한 기운 정도를 나타내는 직각도를 계산할 수 있다. 동심도 부정확에 기인하는 반사광과 직각도 부정확에 기인하는 반사광은 서로 다른 검광각도를 가진 검광자를 각각 통과하여 그 동심도와 직각도를 동시에 측정할 수 있는 정보를 제공한다. 따라서 라인형 스캔센서 또는 면적형 스캔센서와 같은 전기전자부품을 하나의 모듈로써 기준물 또는 피측정물의 어느 한쪽에만 설치할 수 있는 최적의 배치설계가 가능하여 비행기 동체와 같은 절연 및 방폭구조의 제약된 환경에 적합한 동심도 및 직각도 측정을 위한 레이저 측정장비를 제공한다.
코너큐브프리즘, 파장판, 레이저, 스캔센서, 동심도, 직각도

Description

코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치{APPARAUTS FOR SIMULTANEOUSLY MEASURING LASER CONCENTRICITY AND PERPENDICULARITY USING CORNER CUBE PRISM AND WAVELENGTH PLATE}
본 발명은 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치에 관한 것으로서, 특히 피측정물에 부착하는 기구의 구성을 간소화하고, 동심도 및 직각도 정보 검출을 위한 광학계와 전기전자부품을 하나의 모듈로써 구성하여 절연 및 방폭구조가 요구되는 협소한 한정된 공간에 설치 및 사용할 수 있도록 하는 광학계의 최적 배치설계 방안에 대한 것이다.
어떤 구조물에 있어서 가공이나 조립의 오차는 때로 치명적 사고로 이어질 수 있는 결함을 초래한다. 항공기를 예로 들면, 일반적으로 항공기 기체는 동체와 날개로 조립되며, 그 조립 구조로서 도 1에 나타낸 바와 같이 동체(1)와 날개(2)에 편편한 접합면(부호 생략)이 형성되고, 각 접합면에는 복수의 구멍(3,4)이 있다. 각 구멍은 대략 1인치 정도의 직경으로 각 접합면에 수직한 방향으로 가공된다. 양측 접합면을 맞대고 일치된 구멍(3,4)에 볼트 요소를 끼워서 체결하는 것이다. 이때 양측 구멍(3,4)의 중심이 어긋나거나 어느 한쪽이 기울면 볼트 요소의 삽입이 순조롭지 못하게 되고, 볼트 요소를 억지끼움 상태로 체결하게 됨으로써 동체나 날개의 일부분에 손상이 가해질 수 있다. 이러한 손상은, 반복되는 항공기 이착륙과 운항에서 가혹한 반복하중이 가해졌을 때, 항공기의 결함으로 이어질 수 있다. 볼트 삽입을 순조롭게 하기 위해서는 조립위치에서의 양측 구멍의 축심이 완전히 일치하는지 체크하여 현재의 오차를 계산하고 계산된 오차에 따라 그 조립위치와 자세를 교정해 주어야 한다. 즉, 구멍간 축심일치 상태의 척도가 되는 동심도와 직각도를 정확히 측정할 필요가 있는 것이다.
동심도와 직각도 측정에는 일반적으로 다이얼게이지가 사용된다. 하지만 다이얼게이지는 사람이 직접 조작하고 육안으로 눈금을 확인하는 등 측정 작업에 시간이 많이 소요되는 것은 물론, 작업자의 숙련도에 따라 개인오차가 발생될 수 있는 문제점을 갖는다.
동심도와 직각도는 레이저 측정기술로 정확하게 측정가능하다. 그 예로, 본 발명자 등에 의한 대한민국 등록실용신안 20-0300101에 개시된 레이저 측정장비가 있다. 이 레이저 측정장비는 레이저 광원, 동심도(중심도) 측정부, 및 직각도(경사도) 측정부로 이루어진다. 동심도 측정부에는 피측정물에 장착되어 레이저 광원부로부터 조사된 레이저 광이 일부 투과 및 일부 반사하는 하프미러, 이 하프미러를 투과한 레이저 광을 2개의 광로로 분할하는 광분할기, 분할된 2개의 광로 상에서 각각 레이저 광의 수직성분과 수평성분 중 하나를 집속하는 2개의 실린더형 렌즈, 각 실린더형 렌즈의 초선(焦線) 상에 집속되는 레이저 광을 수광하여 전기신호를 검출하는 2개의 라인형 스캔센서가 배치된다. 이 2개의 라인형 스캔센서로부터 검출되는 전기신호에는 레이저 광원으로부터의 입사 레이저 광축에 대한 반사 레이저 광축의 수직 및 수평 위치, 즉 광축간 동심도 정보가 수반된다. 따라서 그 전기신호에 근거하여 입사 레이저 광축에 반사 레이저 광축이 일치하도록 피측정물의 위치를 제어하는 것이 가능하다. 직각도 측정부에는 전술한 하프미러를 반사한 레이저 광을 2개의 광로로 분할하는 광분할기와, 분할된 2개의 광로에서 각각 레이저 광의 수직성분과 수평성분 중 하나를 집속하는 2개의 실린더형 렌즈, 각 실린더형 렌즈의 초선 상에 집속되는 레이저 광을 수광하여 전기신호를 검출하는 2개의 라인형 스캔센서가 배치된다. 이 2개의 라인형 스캔센서로부터 검출된 전기신호에는 입사 레이저 광축에 대한 반사 레이저 광축의 경사도, 즉 직각도 정보가 수반된다. 따라서 그 전기신호에 근거하여 입사 레이저 광축에 반사 레이저 광축이 일치하도록 피측정물의 자세 교정을 위한 제어가 가능한 것이다.
이와 같은 레이저 측정장비에 의하면 동심도와 직각도를 동시 측정할 수 있으며 그 측정결과 또한 신뢰할 수 있다. 그러나 전술한 항공기의 동체와 날개를 조립하는 공정에서의 적용을 위해서는, 첫째 광학계 부피를 가능한 줄여야 하고, 둘째 항공기 동체 내에 장착되는 전자장비에 장애를 일으킬 수 있는 라인형 스캔센서와 그 전기배선을 포함한 전자부품을 제거하지 않으면 안 된다.
전종우 등에 의한 등록실용신안 20-0300390에는 전술한 본 발명자 등에 의한 레이저 측정장비의 동심도 측정부와 직각도 측정부의 각 2개의 라인형 스캔센서를 하나의 면적형 스캔센서로 바꾸고 각 라인형 스캔센서 앞의 광분할기와 실린더형 렌즈를 제거함으로써 광학계 부피를 줄이는 방안이 제안되어 있다. 그러나 상술한 대한민국 등록실용신안 20-0300101과 마찬가지로 피측정체의 전자장비에 장애를 일으킬 수 있는 전자부품을 제거하지 않으면 안 된다는 과제가 여전히 남아 있다.
본 발명의 목적은 정밀 가공이나 조립 공정 수행에 이용될 수 있으며, 특히 항공기 동체와 같은 전자부품 설치가 제약되는 피측정체에 부착할 수 있도록 그 피측정체에 부착하는 기구물의 구성을 간소화하고 그 기구물과 함께 하나의 광학모듈로써 동심도와 직각도를 동시 측정할 수 있도록 최적 배치된 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 측정장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치는 피측정물을 향해 편광된 레이저 광을 발생하는 레이저 광원부, 피측정물에 부착되어 레이저 광이 일부 반사 일부 투과하는 입사 표면과 이 입사 표면과 파장판을 투과한 광이 전반사하는 내부 직각 반사면을 가지는 코너큐브프리즘을 포함하는 반사부, 이 반사부의 파장판 입사 표면과 코너큐브프리즘의 내부 직각 반사면에서 반사된 광을 수광하여 전기신호로 검출하는 신호검출수단을 구비한다.
상기 반사부는 피측정물의 구멍에 삽입되고 상기 코너큐브프리즘과 파장판을 수납하여 각각의 입사 표면이 광축에 수직하고 동시에 코너큐브프리즘의 내부 직각 반사면의 코너 꼭짓점을 그 구멍 중심에 일치시키는 상태로 지지하는 프리즘 홀더를 포함할 수 있다.
상기 신호검출수단은 상기 레이저 광원부의 광축상의 입사광 경로로부터 상기 반사부로부터의 반사광 경로를 분리하는 제1광분할기, 이 제1광분할기에서 분리된 반사광 경로를 2개의 광로로 분할하는 제2광분할기, 이 제2광분할기에서 분할된 2개의 분할반사광 경로중 1개의 분할반사광을 다시 2개의 광로로 분할하는 제3광분할기, 제2광분할기에서 분할된 또 다른 1개의 분할반사광을 다시 2개의 광로로 분할하는 제4광분할기, 제2광분할기와 제3광분할기의 사이에 배치되어 파장판의 입사면에서 반사된 반사광만을 선별하여 통과시키면서 코너큐브프리즘의 내부 직각 반사면에서 반사된 반사광은 차폐하는 제1검광자, 제2광분할기와 제4광분할기 사이에 배치되어 파장판의 입사면에서 반사된 반사광은 차폐하고 코너큐브프리즘의 내부 직각 반사면에서 반사된 반사광은 투과하는 제2검광자, 제3광분할기와 제4광분할기에서 각각 분할된 4개의 분할반사광 경로상에 배치되어 각 분할반사광의 수직 성분과 수평 성분중 한쪽을 집속하고 다른 쪽을 그대로 투과시키는 2개의 실린더형 렌즈, 그리고 각 실린더형 렌즈를 경유한 분할반사광을 수광하여 그 위치와 광량에 대응한 전기신호를 검출하는 4개의 라인형 스캔센서로 구현될 수 있다.
또한 상기 신호검출수단은 상기 레이저 광원부의 광축상의 입사광 경로로부터 상기 반사부로부터의 반사광 경로를 분리하는 제1광분할기, 이 제1광분할기에서 분리된 반사광 경로를 2개의 광로로 분할하는 제2광분할기, 이 제2광분할기에서 분리된 반사광을 파장판의 입사면에서 반사된 반사광과 코너큐브프리즘의 내부 직각 반사면에서 반사된 반사광중 하나로 선택적으로 투과시킬 수 있는 제1편광자와 제2편광자, 이 편광자들을 투과한 반사광을 수광하여 그 위치와 광량에 대응한 전기신 호를 검출하는 2개의 면적형 스캔센서로 구현될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 검출된 전기신호에 근거하여 입사광의 광축에 대한 반사광 광축의 동심도와 직각도를 계산하고 계산된 동심도와 직각도에 따라 그 광축들을 일치시키는 제어 동작을 수행하는 연산제어부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치에 의하면, 파장판과 코너큐브프리즘의 입사 표면을 투과한 후 직각 반사면을 경유하여 반사하는 반사광의 위치와 광량에 대응한 전기신호를 검출하고 그 반사광의 입사광 광축에 대한 이탈 정도를 나타내는 동심도를 계산할 수 있다. 또한 파장판의 입사 표면을 반사한 반사광의 위치와 광량에 대응한 전기신호를 검출하여 그 반사광의 입사광 광축에 대한 기운 정도를 나타내는 직각도를 계산할 수 있다. 여기서 동심도 부정확에 기인하는 반사광과 직각도 부정확에 기인하는 반사광사이에는 파장판의 통과여부에 따라 편광면 회전정도의 차이가 있으므로 그 동심도와 직각도를 동시에 측정할 수 있는 이점이 있다.
따라서 본 발명은 피측정물에 부착하는 기구물을 전술한 코너큐브프리즘과 파장판 등 간단한 광학부품만으로 간소화하고, 동심도와 직각도 계산에 필요한 광학부품과 전기전자부품을 하나의 모듈로 구성함으로써, 종래기술에서 해결하지 못했던 피측정체의 전자장비에 장애를 일으킬 수 있는 전기전자부품을 제거하여 전술한 항공기 동체와 같이 비접촉식으로 절연 및 방폭구조가 요구되는 협소한 한정된 공간에 용이하게 설치 및 사용할 수 있는 효과를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도 2는 항공기 동체와 날개의 조립 공정에서의 동심도와 직각도 측정을 위한 본 발명의 적용례를 나타낸다. 본 발명에 따른 코너큐브프리즘을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치는 레이저 광원부와 검출수단을 구비된 장치본체(10)와 별도의 반사부(20)로 이루어지며, 그 장치본체(10)가 항공기 날개측 구멍(4) 안쪽 공간에 설치되고, 반사부(20)가 항공기 동체측 구멍(3) 내에 설치됨으로써 항공기 동체와 날개의 조립 공정에 이용된다.
장치본체(10)는 레이저 광원부의 광축이 날개(2)의 구멍(4) 중심과 일치하도록 설치 및 유지되며, 날개(2)와 함께 이송대차(5) 내의 도시하지 않은 액튜에이터들에 의해 3차원적으로 미세하게 구동될 수 있게 지지된다. 이같은 상태에서 장치본체(10)에서 실시간으로 검출 및 계산된 동심도 및 직각도에 따라 액추에이터들을 구동함으로써 반사부(20)에 대한 입사 광축과 반사 광축이 일치되도록 그 위치와 자세가 교정되며, 이에 따라 항공기 동체(1)에 대한 날개(2)의 조립 위치와 자세도 함께 조정되는 것이다.
반사부(20)는 도 3에 나타난 바와 같이 파장판(23)과 코너큐브프리즘(21)과 이를 지지하는 원통 모양의 프리즘 홀더(22)로 이루어진다. 파장판(23)은 레이저 광이 일부 반사하고 일부 투과하는 입사 표면(23a), 이 입사 표면(23a)을 투과한 레이저 광이 전반사하는 코너큐브프리즘(21)의 내부 직각 반사면(21b,21c) 및 내부 직각 반사면(21b,21c) 사이의 코너부 꼭짓점(21d)을 가진다. 이 파장판(23)의 특 성은 편광된 입사광의 편광면이 입사 표면(23a)에 반사되었을 때는 회전하지 않지만 투과되었을 때는 입사광의 광축을 기준으로 회전한다. 따라서, 코너큐브프리즘(21)의 내부 직각 반사면(21b, 21c)을 반사한 반사광과 파장판(23)의 입사 표면(23a)에서 반사한 광은 편광면이 서로 다르게 된다. 또한 코너큐브프리즘(21)의 특성은 입사 표면(21a)에 수직한 동시에 정점(21d)을 향해 입사하는 레이저 광을 동일 광축 상에 반사시키고, 그 외에는 입사하는 레이저 광의 광축과 평행하면서 정점(21d)과의 변위의 2배만큼 이격된 광로로 반사시킨다. 이러한 파장판(23)과 코너큐브프리즘(21)의 특성을 이용하여 목적하는 동심도와 직각도의 동시측정이 가능한 바, 그 측정 원리는 나중에 설명될 것이다. 프리즘 홀더(22)는 항공기 동체(1)의 구멍(3)에 꼭 맞게 삽입 및 지지될 수 있는 외경으로 가공됨으로써 코너큐브프리즘(21)의 광학적 중심과 그 구멍(3)의 중심이 자연히 일치되게 한다. 이 프리즘 홀더(22)는 도면에 예시된 것 외에도 설치 장소에 따라 다양한 형태로 제공될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치의 바람직한 광학적 구성을 보인다. 장치본체(10)에는 하나의 광학모듈로써 편광된 레이저 광원부(11)를 포함하여 신호검출수단으로서 구비된 4개씩의 광분할기(12,13,32,33)와 실린더형 렌즈(14,16,34,36) 및 라인형 스캔센서(15,17,35,37)가 배치된다. 편광된 레이저 광원부(11)는 편광자와 레이저 발진기를 사용하여 편광된 레이저를 연속 발진시키고 핀홀과 콜리메이터 등을 사용하여 반사부(20)를 향해 직경이 일정한 빔 형태의 편광된 레이저 광을 출사한다. 제1광 분할기(12)는 편광된 레이저 광원부(11)로부터 출사되어 반사부(20)로 향하는 입사광(60)으로부터 반사부(20)를 반사하여 되돌아오는 반사광(61)을 90ㅀ방향으로 분리한다. 제2광분할기(13)는 반사광(61)을 2개의 분할반사광(62,63)으로 분할한다. 제1검광자(41)는 제2광분할기(13)에 의하여 분할된 1개의 반사광(63)중에서 파장판(23)을 투과하고 코너큐브프리즘(21)에 의하여 반사되어 파장판(23)을 다시 투과함으로써 편광면이 회전한 반사광의 편광면과 90도의 각도를 이루게 하여 차폐하고, 파장판(23)의 입사 평면(23a)에서 반사된 반사광만을 투과하도록 한다. 마찬가지로 제2검광자(42)는 제2광분할기(13)에 의하여 분할된 1개의 반사광(62)중에서 파장판(23)의 입사 평면(23a)에서 반사된 반사광의 편광면과 90도의 각도를 이루게 하여 차폐하고, 파장판(23)을 투과하고 코너큐브프리즘(21)에 의하여 반사되어 파장판(23)을 다시 투과함으로써 편광면이 회전한 반사광만을 투과하도록 한다. 제3광분할기(32)는 제1검광자를 투과한 직각도의 부정확에 기인하는 반사광(63)을 2개의 분할반사광(64,65)으로 분할한다. 제4광분할기(33)는 제2검광자를 투과한 동심도의 부정확에 기인하는 반사광(62)을 2개의 분할반사광(66,67)으로 분할한다. 일측 분할반사광(64,66)의 광로 상에 배치된 실린더형 렌즈(14,16))는 그 분할반사광(64,66)의 수평(X축) 성분을 집속하고 수직(Y축) 성분을 그대로 투과시켜 Y축 방향의 초선 상에 광량을 집중시키기 위한 것이고, 타측 분할반사광(65,67)의 광로 상에 배치된 실린더형 렌즈(34,36)는 그 분할반사광(65,67)의 수평(X축) 성분을 그대로 투과시키고 수직(Y축) 성분을 집속하여 X축 방향의 초선 상에 광량을 집중시키기 위한 것이다. 4개의 라인형 스캔센서(15,17,35,37)는 각각에 수광되는 광스 폿의 광량과 위치 정보를 수반하는 전기신호를 검출한다.
연산제어부(30)는 4개의 라인형 스캔센서(15,17,35,37)로부터 검출된 전기신호의 증폭 아날로그/디지털 변환한 후 마이크로컴퓨터의 처리기구를 이용하여 동심도와 직각도를 계산하고, 계산된 동심도와 직각도를 근거로 액튜에이터구동부(40)를 제어하며, 표시부(50)에 그 계산된 동심도와 직각도를 포함한 다양한 연산제어 정보를 표시한다.
전술한 코너큐브프리즘의 위치 및 자세 변화에 따라 동심도와 직각도를 동시 측정하는 원리는 다음과 같다.
<동심도 및 직각도 모두 정상인 경우>
전술한 항공기 동체와 날개의 구멍(3,4) 중심이 정확히 일치한 상태에서는, 도 5와 같이 레이저 광원부(11)로부터 코너큐브프리즘(21)을 향하는 입사광(60)의 광축이 파장판(23)의 입사표면(23a)에 수직하고 동시에 코너큐브프리즘(21)의 꼭짓점(21d)을 향한다. 이때의 그 입사 표면(23a)과 꼭짓점(21d)으로부터의 반사광(61)은 그 광축이 입사광(60)의 광축과 동일선상에 일치하게 되고, 제1광분할기(12)에 의해 분리된 광로 상의 가상 타깃(70) 중심에 하나의 광스폿(71)을 형성한다.
<동심도에 이상이 있고, 직각도가 정상인 경우>
전술한 항공기 동체와 날개의 양측 구멍(3,4)의 중심이 서로 일치하지 않아서 동심도가 정확하지 않은 경우에는 파장판(23)의 입사 표면(23a)에서 반사하는 반사광(611)은 광축은 입사광(60)의 광축과 일치하여 가상 타깃(70) 중심에 광스 폿(711)을 형성한다. 한편, 파장판(23)의 입사 표면(23a)을 코너큐브프리즘(21)의 내부 직각 반사면(21b,21c)을 반사한 반사광(612)의 광축은 입사광(60)의 광축으로부터 일정거리 떨어진 다른 경로로 진행하여 가상 타깃(70) 중심에서 떨어진 지점에 광스폿(72)을 형성한다. 이때, 파장판(23)의 입사표면(23a)을 반사한 반사광(611)은 제2검광자(42)에 의하여 차폐되며, 코너큐브프리즘(21)의 내부 직각 반사면(21b,21c)을 차례로 반사하는 반사광(612)은 제1검광자(41)에 의하여 차폐할 수 있다. 즉, 제2검광자를 투과한 반사광(612)의 광축 이탈 거리를 측정하여 동심도를 계산해 낼 수 있는 것이다.
<동심도가 정상이고, 평행도에 이상이 있는 경우>
전술한 항공기 동체와 날개중 어느 한쪽이 기울어서 도 7에 나타난 바와 같이 입사광(60)의 광축에 대해 파장판(23)의 입사 표면(23a)이 수직하지 못하고, 다만 그 입사광(60)의 광축이 코너큐브프리즘(21)의 꼭짓점(21d)을 향한다고 하자. 그러면 파장판(23)의 입사 표면(23a)으로부터의 반사광(611)의 광축은 입사광(60)의 광축에 대해 경사지게 되고, 그 입사 표면(23a)을 투과한 후 코너큐브프리즘(21)의 꼭짓점(21d)을 경유하는 반사광(612)의 광축은 입사광(60)의 광축과 일치하게 된다. 파장판(23)의 입사표면(23a)을 반사한 반사광(611)은 제2검광자(42)에 의하여 차폐되며, 코너큐브프리즘(21)의 꼭지점(21d)을 경유하는 반사광(612)은 제1검광자(41)에 의하여 차폐할 수 있다. 즉, 제1검광자를 투과한 반사광(611)의 광축 이탈 거리를 측정하여 직각도를 계산해 낼 수 있는 것이다.
<동심도와 평행도 모두에 이상이 있는 경우>
도 8은 입사광(60)의 광축에 대해 파장판(23)의 입사 표면(23a)이 수직하지 못하고, 그 꼭짓점(21d)도 입사광(60)의 광축에서 벗어난 경우를 보인다. 이 경우에 있어서 파장판(23)의 입사 표면(23a)과 코너큐브프리즘(21)의 내부 직각 반사면(21b,21d)에서 반사하는 반사광(611, 612)의 경로는 양쪽 모두 입사광(60)의 경로를 벗어나게 되는데, 파장판(23)의 입사 표면(23a)에서 반사한 반사광(611)의 편광면은 회전하지 않지만 파장판(230을 투과하여 코너큐브프리즘(21)의 내부 직각 반사면(21b, 21d)에서 반사하는 반사광(612)는 파장판(23)의 영향으로 그 편광면이 회전하게 된다. 따라서 제1검광자를 투과한 반사광(611)의 광스폿(71)의 위치를 검출하여 직각도를 계산할 수 있음은 물론, 제2검광자를 투과한 반사광(612)의 광스폿(72)의 위치를 검출하여 동심도를 계산해 낼 수 있는 것이다.
전술한 반사광(611,612)을 수평 성분과 수직 성분으로 분기하면, 각 방향에서의 이탈 정도를 검출할 수 있고 따라서 동심도와 직각도를 벡타량으로 정확히 계산해 낼 수 있으며, 그 원리는 다음과 같다.
도 9에 있어서, 반사광(611,612)은 그 광량의 50%가 제2광분할기(13)를 투과하고 나머지 50%가 반사하여 각각 2개씩의 분할 반사광(621,622 및 631,632)으로 분할된다. 제2광분할기(13)를 반사하는 분할반사광(631,632)은 그 분할 광로 상에 배치된 제1검광자(41)에 의하여 파장판(23)을 통과함으로써 편광면이 회전한 반사광(631)은 차폐하고 파장판(23)의 입사 표면(23a)에 의하여 반사된 반사광(632)은 통과시킨다. 이 반사광(632)은 제3광분할기(32)에 의하여 그 광량의 50%가 투과하고 나머지 50%가 반사하여 2개의 분할 반사광(6321,6322)으로 분할된다. 일측 실린 더형 렌즈(14)에 의해 Y축 성분이 모아지고 X축 성분이 그대로 투과하여 X축 방향의 라인형 스캔센서(17)에 수광된다. 따라서 그 X축 방향의 라인형 스캔센서(17)로부터 수평방향으로의 직각도 이탈 정도를 계산할 수 있는 것이다. 그리고, 실린더형 렌즈(34)에 의해 X축 성분이 모아지고 Y축 성분이 그대로 투과하여 Y축 방향의 라인형 스캔센서(37)에 수광된다. 따라서 그 Y축 방향의 라인형 스캔센서(37)로부터 수직방향으로의 직각도 이탈 정도를 계산할 수 있는 것이다.
일측 제2광분할기(13)를 투과하는 분할반사광(621,622)은 그 분할 광로 상에 배치된 제2검광자(42)에 의하여 파장판(23)의 입사 표면(23a)에 의하여 반사된 반사광(622)은 차폐시키고 파장판(23)을 통과함으로써 편광면이 회전한 반사광(621)은 투과시킨다. 이 반사광(621)은 제4광분할기(33)에 의하여 그 광량의 50%가 투과하고 나머지 50%가 반사하여 2개의 분할 반사광(6121,6122)으로 분할된다. 일측 실린더형 렌즈(16)에 의하여 Y축 성분이 모아지고 X축 성분이 그대로 투과하여 X축 방향의 라인형 스캔센서(35)에 수광된다. 따라서 그 X축 방향의 라인형 스캔센서(35)로부터 수평방향으로의 동심도 이탈 정도를 계산할 수 있는 것이다. 그리고, 실린더형 렌즈(36)에 의하여 X축 성분이 모아지고 Y축 성분이 그대로 투과하여 Y축 방향의 라이형 스캔센서(15)에 수광된다. 따라서 그 Y축 방향의 라인형 스캔센서(15)로부터 수직방향으로의 동심도 이탈 정도를 계산할 수 있는 것이다.
도 10을 참조하여 보다 더 자세히 설명하면, 도시 생략된 레이저 발생부로부터의 입사광(60)이 코너큐브프리즘(21)의 내부 직각 반사면(21b,21c)에서 반사하여 되돌아오는 반사광(612)은 제1광분할기(12)에서 입사광(60)의 광로와 분리되고, 제 2광분할기(13)를 일부 투과 일부 반사하여 2개의 분할반사광(621,631)으로 분할된다. 제2검광자(42)에 의하여 파장판(23)의 입사표면(23a)에서 반사한 반사광(622)과 분리되고, 제4광분할기(33)를 일부 투과 일부 반사하여 2개의 분할반사광(6121,6122)으로 분할된다. 여기서, 코너큐브프리즘(21)의 내부 직각 반사면(21b,21d)에서부터 제1광분할기(12)의 표면(12a)까지의 광축 거리를 L1, 그 표면(12a)에서 분할면(12b)까지의 광축 거리를 L2, 그 분할면(12b)에서 제4광분할기(33)의 분할면(33b)까지의 광축 거리를 L3, 제4광분할기(33)의 분할면(33b)에서 라인형 스캔센서(35)까지의 광축 거리를 L4라 하자. L2, L3, L4는 고정된 수치이고, L1은 측정 대상물, 예컨대 전술한 항공기 동체와 날개의 접합면 구멍이 가까이 접근함에 따라 짧아진다. 동심도가 정확하지 않을 경우에는 반사광(6121)이 입사광(60)의 경로에서 이탈하게 되고, 제4광분할기(33)를 반사한 분할반사광(6121)이 도달하는 라인형 스캔센서(35)에는 동심도가 정확하게 일치하였을 때에 비하여 C2만큼의 변위가 발생한다. 마찬가지로 제4광분할기(33)를 투과한 분할반사광(6222)의 경우에도 동심도가 정확하게 일치하였을 때에 비하여 변위가 발생하고, 이 변위를 C1이라 하면, 동심도는 다음 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112008072632877-PAT00001
도 11을 참조하면, 직각도 부정확에 기인한 반사광(611)은 제1광분할기(12)에 반사된 후, 제2광분할기(13)를 일부 투과 일부 반사하여 2개의 분할반사 광(622,632)으로 분할된다. 제1검광자(41)에 의하여 파장판(23)을 통과하여 코너큐브프리즘(21)의 내부 직각 반사면(21b,21d)에서 반사한 반사광(631)과 분리되고, 제3광분할기(32)를 일부 투과 일부 반사하여 2개의 분할반사광(6321,6322)으로 분할된다. 여기서, 파장판(23)의 입사 표면(23a)으로부터 제1광분할기(12)의 표면(12a)까지의 광축 거리를 L1, 제1광분할기(12)의 표면(12a)으로부터 분할면(12b)까지의 광축 거리를 L2, 제1광분할기(12)의 분할면(12b)으로부터 제2광분할기(13)의 분할면(13b)까지의 공축 거리를 L3, 제2광분할기(13)의 분할면(13b)에서 라인형 스캔센서(17)까지의 광축 거리를 L4라고 하자. 이때, 직각도, 즉 평행도의 부정확에 기인한 제2광분할기(13)로부터의 분할반사광(6321)이 도달하는 라인형 스캔센서(17) 상의 위치는 그 중앙으로부터 P2만큼의 변위가 발생하게 된다. 마찬가지로 제4광분할기(32)를 반사하는 분할반사광(6322)의 경우에도 직각도가 정확한 경우에 비하여 변위가 발생하고, 이 변위를 P1이라 하면, 직각도는 다음 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112008072632877-PAT00002
여기서, L1은 조립 위치로의 이동에 따라 변화하지만, 정확한 값을 측정할 수 있는 값이므로 이 수학식 2는 적용할 수 있다.
전술한 바와 같은 종래의 기술에서는 동심도와 평행도를 측정을 위해 2개씩 의 라인형 스캔센서 또는 1개씩의 면적형 스캔센서를 피측정체와 기준면에 각각 설치할 필요가 있었다. 그러나 본 발명에서는 피측정체에는 파장판과 코너큐브프리즘에 의하여 구성되는 간단한 광학부품을 설치하고, 레이저와 라인형 스캔센서 또는 전술한 가상 타깃에 대응하는 면적형 스캔센서와 같은 전기전자부품을 따로 구비하는 간단한 구조로 동심도와 직각도를 동시 측정할 수 있게 되며, 결과적으로 피측정체에 부착되는 광학적 구성을 최대한 간소화하여 그 부피를 획기적으로 줄일 수 있고, 하나의 모듈로써 동심도와 직각도를 동시에 측정할 수 있으며, 특히 반사부의 코너큐브프리즘과 파장판만을 피측정물에 부착하므로 어떤 환경에서도 사용이 가능한 것이다.
도 1은 항공기 동체와 날개의 조립 구조를 보인 개요도.
도 2는 본 발명이 적용된 항공기 동체와 날개의 조립 공정을 보인 개요도.
도 3은 도 2의 항공기 동체에 부착되는 본 발명을 구성하는 코너큐브프리즘을 포함하는 반사부 구조를 보인 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 코너큐브프리즘을 이용한 동심도 및 직각도 동시측정장치의 광학적 구성을 보인 배치도.
도 5는 본 발명의 광학적 구성에 있어서의 동심도와 평행도 모두 정상인 경우의 반사광 경로를 설명하는 도면.
도 6은 본 발명의 광학적 구성에 있어서의 동심도 부정확에 기인하는 반사광의 경로를 설명하는 도면.
도 7은 본 발명의 광학적 구성에 있어서의 직각도 부정확에 기인하는 반사광의 경로를 설명하는 도면.
도 8은 본 발명의 광학적 구성에 있어서의 동심도와 직각도 모두의 부정확에 기인하는 반사광의 경로를 설명하는 도면.
도 9는 본 발명의 광학적 구성에 있어서의 반사광 분할 경로를 설명하는 도면.
도 10은 본 발명의 광학적 구성에 있어서의 동심도 부정확에 기인하는 반사광 경로의 변위를 설명하는 도면.
도 11은 본 발명의 광학적 구성에 있어서의 직각도 부정확에 기인하는 반사 광 경로의 변위를 설명하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11: 편광 레이저 광원부
12,13,32,33: 광분할기
14,16,34,36: 실린더형 렌즈
15,17,35,37: 라인형 스캔센서
20: 반사부
21: 코너큐브프리즘
22: 프리즘 홀더
23: 파장판

Claims (5)

  1. 피측정물을 향해 편광된 레이저 광을 발생하는 레이저 광원부, 피측정물에 부착되어 레이저 광이 일부 반사하는 입사표면을 가지는 파장판, 파장판을 일부 통과함으로써 그 편광면이 회전한 반사광이 전반사하는 내부 직각 반사면을 가지는 코너큐브프리즘을 포함하는 반사부, 이 반사부의 파장판의 입사 표면과 코너큐브프리즘의 내부 직각 반사면에서 반사된 광을 수광하여 전기신호로 검출하는 신호검출수단이 구비된 것을 특징으로 하는 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 반사부가 피측정물의 구멍에 삽입되고 상기 파장판과 코너큐브프리즘을 수납하여 파장판의 입사 표면이 광축에 수직하고 동시에 코너큐브프리즘의 내부 직각 반사면의 코너 꼭짓점을 그 구멍 중심에 일치시키는 상태로 지지하는 프리즘 홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 신호검출수단으로서, 상기 레이저 광원부의 광축상의 입사광 경로로부터 상기 반사부로부터의 반사광 경로를 분리하는 제1광분할기, 이 제1광분할기에서 분리된 반사광 경로를 2개의 광로로 분할하는 제2광분할기, 이 제2광분할기에서 분할된 2개의 분할반사광 경로 상에 배치되어 각 분할반사광의 편 광면의 회전여부를 선택적으로 차폐 또는 투과시키는 제1검광자와 제2검광자, 각각의 검광자를 투과한 반사광을 각각 2개의 광로로 분할하는 제3광분할기와 제4광분할기, 제3광분할기 또는 제4광분할기에서 분할된 2개의 분할반사광 경로 상에 배치되어 수직 성분과 수평 성분중 한쪽을 집속하고 다른 쪽을 그대로 투과시키는 4개의 실린더형 렌즈, 그리고 각 실린더형 렌즈를 경유한 분할반사광을 수광하여 그 위치와 광량에 대응한 전기신호를 검출하는 4개의 라인형 스캔센서가 구비된 것을 특징으로 하는 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 신호검출수단으로서, 상기 레이저 광원부의 광축상의 입사광 경로로부터 상기 반사부로부터의 반사광 경로를 분리하는 제1광분할기, 이 제1광분할기에서 분리된 반사광을 2개의 광로로 분할하는 제2광분할기, 제2광분할기를 투과한 반사광 경로 상에 배치되어 각 분할반사광의 편광면의 회전여부에 따라 선택적으로 차폐 또는 투과시키는 제1검광자와 제2검광자, 각각의 검광자를 투과한 반사광을 수광하여 그 위치와 광량에 대응한 전기신호를 검출하는 2개의 면적형 스캔센서가 구비된 것을 특징으로 하는 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치.
  5. 청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 검출된 전기신호에 근거하여 입사광의 광축에 대한 반사광 광축의 동심도와 직각도를 계산하고 계산된 동심 도와 직각도에 따라 그들의 광축을 일치시키는 제어 동작을 수행하는 연산제어부가 포함된 것을 특징으로 하는 코너큐브프리즘과 파장판을 이용한 레이저 동심도 및 직각도 동시측정장치.
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