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문제 정의
- 본 연구에서는 레이저의 거리 측정기에서 발생하는 다양한 오차의 원인 중 가장 오차를 잡기 어려운 렌즈로부터 발생하는 오차를 줄이기 위한 방법으로 레이저 거리 측정기에 사용하기 적합한 렌즈를 설계하고 이를 이용하여 레이저 거리 계측기를 구현하였다. 설계한 렌즈는 레이저 광을 송수신 하는 영역을 연마하여 수평면으로 제작한 것으로 이 영역을 통과하는 레이저 광은 렌즈의 곡률과 관계없이 빛을 정확하게 모으고 보낼 수 있어 오차를 줄인다.
- 본 연구에서는 마이켈슨 간섭기 또는 마하젠더 간섭기의 원리에 기반하여 설계하였다. 제안한 거리 측정기는 디지털 혼합기(digital mixer)와 각종 논리회로를 포함한 FPGA, 레이저를 구동하기 위한 각종 구동부 및 이를 증폭하기 위한 전치 증폭부, 위상 출력부, 레이저 송수신을 위한 송수신부, 이를 제어하기 위한 제어부 및 변위기의 수치 처리 및 전체적인 제어를 위한 MCU로 구성되며 이를 그림 1에 나타내었다.
- 본장에서는 지금까지 레이저 변위계를 설계할 때 가장 어려운 부분으로 알려져 있으며 오차의 근원적인 요소인 렌즈 설계 기법을 제안하고 기존의 방법에 비해 오차를 줄이기 위한 여러 가지 방법을 모색하고 최적의 방법을 제안하였다.
- 만약 곡률이 틀리게 되면 빛이 나가고 들어올 때 정확한 초점을 맞출 수가 없어 빛이 여라 방향으로 산란될 가능성이 높아 오차의 큰 원인이 된다. 이에 본 연구에서는 LD에서 나온 빛이 빔 분리기에서 5:95의 비율로 나뉘어져 하나는 기준 신호로 사용되고 하나는 표적으로 나간 후 다시 렌즈에 정확하게 들어오도록 하기 위한 방법의 하나로 렌즈의 중앙에 그림 7과 같이 구멍을 뚫어 사용하는 기법을 제안하였다.
- 이에 본 연구에서는 레이저 다이오드로부터 발생하는 레이저 광을 정확하게 빔분리기와 렌즈를 통하여 측정하고자하는 목표물인 측정 대상 물체에 도달하고, 측정 대상물체로부터 반사되어 돌아오는 반사광을 모을 수 있는 다양한 렌즈 설계 기법을 제안한다. 또한 제안한 기법을 적용한 레이저 거리계측기를 제작하였다.
- 이에 본 연구에서는 양안렌즈 대신에 송수신 겸용으로 사용할 수 있는 1개의 렌즈를 이용한 단안렌즈 방식을 제안하였으며 이를 그림 5에 나타내었다. 주목하여 정밀한 반사광을 측정할 수 있는 회로를 개발하였다.
- 판독계는 레이저 빛 또는 백색광을 이용하여 거리를 판독하는 일을 하는 것으로서, 디지털 혼합기를 포함한 FPGA 등으로 구성되어 있다. 판독계의 원리는 광주파수에서 레이저 빔의 위상 변위 차인 주파수 변화를 측정하여 측정하고자 하는 표적과의 거리를 측정하는 것이다. 최근에는 산업용 및 군사용, 레저용에서 보다 정밀한 측정 요구가 증가함에 따라 레이저 거리 측정기의 기본 구조에 정밀도 개선을 위한 광학 회로 및 보조 회로가 더 많이 추가되는 변형된 구조가 발표되고 있다[4].
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