KR100545362B1 - 자동초점 실물영상 레이저 마킹장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 마킹 시스템에 있어서 마킹 대상물의 표면에 자동으로 초점을 형성시켜주고 이에 따라 작업대의 높이를 조절하여 마킹 위치를 확인 할 수 있게 함으로서 레이저 마킹 광학계에 영향을 주지 않는 영상장치를 통해 마킹 대상물 영상을 실시간 취득하여 마킹 대상물의 영상 위에 마킹 정보를 위치시킴으로서 마킹 품질에 대한 사전 예상을 가능케 하고, 보다 빠르고 정확한 마킹을 구현하는 장치에 관한 것이다.

레이저로부터 발생된 레이저빔을 마킹 대상물에 조사하여 마킹을 수행하는 레이저 마킹 시스템에서 대상물의 높이를 인식하여 초점거리를 자동으로 유지시킴으로서 임의의 초점 조절이 불필요한 자동 초점 형성 장치 ; 임의의 위치에 설치된 영상 시스템을 통해 마킹 대상물의 형상을 왜곡이 적은 영상상태로 마킹 프로그램의 편집화면으로 취득하는 장치; 마킹 하려는 문자나 영상정보를 취득한 대상물의 이미지 위에서 편집이 가능한 상태로 위치시킴으로서 가공 전에 가공 후의 마킹 위치 및 모양을 알 수 있도록 하는 영상편집장치(또는 프로그램); 마킹 대상물까지의 레이저빔 전송상태, 레이저빔에 의한 대상물의 마킹 진행 상태, 그리고 마킹 후 대상물 가공 상태의 판정이 가능한 레이저 마킹 기능을 특징으로 한다.

레이저 마킹 시스템, 자동 초점장치, 영상편집 프로그램, 왜곡보정, 영상 카메라 시스템

Description

자동초점 실물영상 레이저 마킹장치{Apparatus and method for an auto focus laser marking editable on the real image.}

도 1 : 본 발명에 따른 자동 초점조절형 레이저 영상 마킹 시스템의 개략도

도 2 (a) : 왜곡이 적은 영상 취득을 위한 왜곡 보정형 영상 카메라

도 2 (b) : 영상 취득을 위한 일반적인 영상 카메라

도 3 (a) : 왜곡 보정형 영상 카메라를 연직방향으로 배치해 취득한 영상

도 3 (b) : 일반적인 영상 카메라를 가공 대상물의 방향으로 배치하여 취득한 영상

도 4 : 일반적인 영상 카메라를 스캐너의 두 X-Y 스캐닝 미러 사이의 공간을 통해 이차원의 영상 취득이 가능하도록 배치하는 구조도

도 5 : 거리센서를 이용하여 구성한 자동 초점형성 장치의 개략도

도 6 : 레이저 다이오드를 이용하여 구성한 자동 초점형성 장치의 개략도

도 7(a) : 마킹 대상물이 정초점보다 높을 경우의 초점위치 및 레이저 다이오드 빔의 위치

도 7(b) : 마킹 대상물이 정초점에 있을 경우의 초점위치 및 레이저 다이오드 빔의 위치

도 7(c) : 마킹 대상물이 정초점보다 낮을 경우의 초점위치 및 레이저 다이 오드 빔의 위치

도면의 상세부분에 대한 명칭

- 10 : 레이저 발생장치

- 11, 12, 13, 14 : 스캐너, 플랫필드 렌즈, 영상카메라 장착용 창, 스캐닝 미러

- 20, 21, 22 : 영상카메라 장치, CCD 카메라, 이미지 렌즈

- 23, 24, 25, 26 : CCD 카메라의 중심선, 이미지렌즈의 광축,

왜곡보정형 카메라 장치의 인식영역, 일반적인 영상 카메라를 이용하여 취득 가능한 영상 인식영역

- 30, 31 : 마킹 작업대, 마킹 대상물

-32, 33, 34 : 결상된 가공 대상물의 영상, 마킹 대상물의 왜곡영상, 왜곡이 거의 없는 영상

- 40 : 레이저 마킹기 제어용 PC 및 구동프로그램

- 50, 51, 52 : 거리측정 센서, 거리측정 센서의 광원, 반사광 측정부

- 53, 54 : 거리 측정용 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 빔

- 60, 61, 62 : 영상화면, 초점 좌표, 마킹 대상물의 표면에서 반사된 레이저 다이오드 빔

본 발명은 레이저 마킹 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 촛점 형성장치를 설치하여 대상물에 촛점을 형성하고, 형성된 촛점과 대상물의 영상으로부터 마킹을 실시하기 전에 마킹될 위치 및 모양을 짐작할 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다.

일반적인 레이저 마킹 시스템은 마킹하는 방식에 따라 주사형 마킹기와 마스크형 마킹기로 구분할 수 있다. 주사형 마킹기는 펜으로 그림을 그리듯이 마킹하는 방식을 가지며, 프로그램에 입력되는 임의 형태의 패턴 형성이 가능한 방식으로, 현재 가장 많은 분야에서 사용되고 있는 일반적인 레이저 마킹 장치이다. 마킹 대상으로는 금속 및 비금속, 세라믹 등이 적합하며, 다품종 소량 생산에 유리한 방식이다. 마스크형 레이저 마킹기는 패턴이 새겨진 마스크를 투과한 펄스 레이저빔을 물체 표면에 결상시켜 마킹을 수행하는 방식으로, 마스크 패턴이 필요하며, 마스크 패턴의 변경이 불가능하다. 주로 플라스틱, 수지, 종이라벨 등의 마킹에 사용되며, 반복적인 마킹 작업에 유리한 방식으로, 고속 마킹을 요구하는 공정에 적합하다.

레이저에 의한 물질의 가공은 레이저빔의 에너지를 열로 전환하는 열적 가공방식이 있으며, 자외선 레이저와 같이 높은 광자에너지를 이용하여 물질의 분자구조를 직접 절단하게 되는 광화학 가공이 있다. 금속의 절단을 비롯한 용접, 마킹 등의 가공공정은 모두 열적인 가공방식으로, 레이저빔의 출력밀도에 따라 가공이 결정된다. 마킹의 경우는 10⁷W/㎠ 이상의 출력밀도를 요구하며, 이 이상의 출력밀도에서 물질이 순간적으로 증발하는 현상을 이용하는 가공방식이다.

이러한 레이저 마킹이 주로 사용되는 용도로는 IC 패키지를 포함한 반도체 부품, 저항, 콘덴서 등의 각종 전자부품, 공구, 프레스, 계기명판등의 기계 기구부품, 자동차부품, 화장품, 귀금속 및 일반 생활용품 등의 제품에 관련된 정보를 마킹하는데 사용된다.

본 발명은 스캐너를 사용하여 마킹을 실시하는 주사형 마킹기에 관한 것으로, 일반적인 주사형 마킹기는 레이저 발생장치와 발생된 레이저빔을 마킹 대상물의 임의 평면으로 보내고 집속시키기 위해 엑스-와이(X-Y)미러의 쌍으로 만들어진 스캐너로 구성된다. 근래까지 개발된 마킹 시스템을 살펴보면, 레이저 마킹 시 가공 대상물의 형상정보 취득을 위한 영상 카메라 시스템을 스캐너의 앞단, 또는 스캐너 아래에 가공 대상물의 형상을 취득하기 위한 광학계를 설치한 경우까지 살펴볼 수 있으나, 레이저빔의 조사 경로 중에 비젼 시스템의 일부인 광학계가 설치되는 구조를 하기 때문에 엑스-와이 스캐너로부터 마킹 대상물까지의 광학적 거리가 제한을 받을 수 밖에 없으며, 스캐너에 의한 마킹 중에는 실시간 영상정보를 취득하는데 어려움이 있었다. 이로 인해 레이저빔의 빠른 조사각 형성을 통한 정밀 가공에 영향을 받을 수 있으며, 스캐너와 영상 카메라 시스템의 기준좌표계를 일치시켜야 하는 까다로운 점도 있다. 그리고 레이저빔의 경로에 광학계가 설치되어 있으므로, 먼지나 분진에 의한 광학계의 오염방지를 위해 정화기를 설치해야 한다. 또한 다양한 제품을 마킹할 경우 제품의 두께가 다르므로 이에 따른 초점위치의 조절을 필요로 한다.

따라서 본 발명은 종래의 레이저 마킹 장치가 가지는 단점을 보완하고 다양 한 제품에 대한 고품질의 마킹을 빠르게 실행하는 레이저 마킹 시스템의 구현을 목적으로 한다. 구체적인 방법으로는, 레이저로부터 출력된 레이저빔을 스캐너를 이용하여 마킹 대상물에 조사하여 마킹 기능을 수행하는 레이저 마킹 시스템에서 대상물까지의 거리를 측정하여 항상 대상물 표면에 자동으로 초점이 형성되도록 하는 자동 초점조절 장치; 임의의 위치에 설치된 본 발명의 영상 카메라 시스템을 통해 가공 대상물의 형상을 왜곡이 적은 영상상태로 마킹 프로그램의 편집화면으로 취득하는 영상 카메라 장치; 마킹하려는 문자나 영상 정보를 취득한 대상물의 영상 위에서 편집이 가능한 상태로 중첩시켜 가공 전에 가공 후의 마킹 위치 및 모양을 알 수 있도록 하는 영상 편집 장치(또는 프로그램); 일반적인 영상 카메라 시스템을 스캐너를 구성하고 있는 두 X-Y 미러 사이의 공간에 위치시켜, 마킹 대상물의 수직면 상에서 왜곡이 거의 없는 이차원적 영상 취득이 가능토록 구성된 스캐너 장치를 특징으로 한다.

본 발명에서 상기의 목적을 달성하기 위한 구체적인 방법을 첨부된 도면을 따라서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 마킹 시스템의 개략도로서, 레이저빔을 발생시키는 레이저 발생장치(10), 발생된 레이저빔을 평면상의 특정 좌표로 이동시키는 스캐너(11), 레이저빔을 수렴시켜 마킹 대상물(31) 위의 한 점으로 초점을 형성시키는 플랫필드(flat field) 렌즈(12), 마킹 대상물(31)까지의 거리를 측정하는 거리센서(50), 왜곡이 거의 없는 가공물(31)의 영상 취득이 가능한 왜곡 보정형 영상 카메라장치(20), 거리센서(50)의 데이터를 기반으로 컴퓨터시스템(40)의 제어에 따라 수직 축의 자동 높이조절이 가능한 마킹 작업대(30)로 구성된다.

본 발명의 한 부분인 왜곡이 적은 마킹 가공물(31)의 영상 취득 원리를 설명하기 위해 일반적인 영상카메라의 영상 취득방법을 도 2(b)에서 설명하고, 본 발명에 해당하는 왜곡 보정형 영상카메라의 영상 취득원리를 도 2(a)에서 비교 설명한다. 일반적인 영상 카메라의 구성은 CCD camera(21)와 이미지렌즈(22)로 구성되며, 카메라의 중심(23)이 이미지렌즈(22)의 광축(24)에 일치하도록 배치되고, 이미지렌즈(22)와 카메라(21) 사이의 거리는 대상이 되는 영상(31)이 이미지렌즈(22)를 통과한 역상으로 결상되는 부분(33)에 CCD 카메라 센서 어레이(일반 카메라의 경우에는 필름이 위치)가 위치하도록 배치한다.

본 발명에 적용된 도 2(a)의 영상카메라(20)도 CCD camera(21)와 이미지렌즈(22)로 구성된다. 하지만 CCD 카메라(21)의 중심축(23)이 가공물(31)의 방향을 향하고 있는 것이 아니라, 가공물 표면에서의 수직 법선에 평행하도록 설치되는 것을 특징으로 한다. 그리고 카메라(21)의 CCD 센서 어레이 중심이 이미지렌즈의 광축(24)에 일치되도록 배치되는 것이 아니라 도 2(a)에서와 같이 가공물(31)의 상이 결상된 위치(32)에 오도록 평행 이동된 위치에 배치하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서는 일반적인 영상카메라를 사용하여 취득한 영상(35)을 본 발명에 따른 영상카메라(20)를 사용하여 취득한 영상(34)과 비교하여 나타내었다.

도 4는 본 발명에서 발명한, 일반적인 영상카메라를 사용하여서 왜곡이 적은 영상을 취득하는 방법을 설명한다. 레이저 마킹에 사용되는 스캐너는 레이저빔의 X-축 위치를 제어하는 미러와 Y-축의 위치를 제어하는 두개의 미러(14)로 구성이 되는데, 이들 미러 사이에는 동작과 빔 전송에 적당한 만큼의 거리가 있다. 본 발명에서는 일반 영상카메라를 사용하여 두 스캐닝 미러 사이의 공간을 광축으로 하는 영상시스템을 구성한다. 이 경우 마킹 대상물의 표면에 수직하게 영상 카메라의 광축이 배열되므로 2차원의 왜곡이 적은 영상을 취득할 수 있으며, 마킹을 위한 레이저빔의 광경로에는 어떠한 영향도 미치지 않는다.

또한 본 발명에서는 영상 카메라로부터 취득한 실시간 영상을 마킹 프로그램의 바탕화면에 나타낸 다음, 마킹할 문자나 이미지를 겹치게 나타냄으로서 실제로 마킹 될 위치를 알 수 있게 한다.

도 5는 스캐너(11)로부터 마킹 대상물(31)까지의 일정한 초점거리 유지를 위해 미세 측정이 가능한 거리센서(50)를 스캐너(11)에 장치한 개략도를 나타낸다. 높이가 다른 마킹 대상물(31)이 마킹 작업대(30) 내에 위치하면, 거리센서(50) 내의 광원(51)에서 방출된 신호가 마킹 대상물의 표면에서 반사되는 빛은 광감지센서(52)에서 감지되고, 감지거리의 변화에 따라 발생되는 출력전압이 달라진다. 컴퓨터 제어에 의해 마킹 작업대(30)를 상하로 구동시키면서 거리센서(50)의 출력전압이 초점위치에서의 값과 동일하게 측정되는 지점을 찾아내는 것이 자동 초점거리 유지의 원리이다.

도 6은 도 5에서 거리센서를 사용하여 자동 초점유지 장치를 구성한 것과는 달리, 630nm의 가시광 대역 레이저빔을 발생시키는 레이저 다이오드를 사용하여 구성한 자동 초점형성 장치의 개략도를 나타낸다. 왜곡이 보정된 영상카메라(20)를 통해서 마킹 대상물이 정초점에 왔을 때의 위치를 프로그램의 화면에 (61)과 같이 특정 좌표에 표시하고, 레이저 다이오드(53)를 마킹 대상물이 정초점에 위치했을 경우 중심좌표 (61)과 대상물 표면에서 반사된 레이저빔(62)이 겹치도록 설치 각도를 조정한 다음, 자동 초점위치를 찾기 위해서 마킹 프로그램이 작업대를 조정하여 동일한 조건을 찾도록 프로그램 한다.

도 7의 (a), (b), (c)에서는 마킹 대상물(31)의 높이에 따라 영상화면에서 보이는 거동의 차이를 설명한다. 먼저, 도 7(a)에서는 마킹 대상물(31)이 정초점 위치(61)보다 높이 위치했을 경우를 나타내며, 도 7(b)는 정초점에서 정초점 표시좌표와 반사된 레이저 다이오드 빔이 정확히 겹친 영상을 나타낸다. 그리고 도 7(c)에서는 마킹 대상물(31)이 정초점보다 낮은 지점에 위치했을 때를 나타낸다.

본 발명은 레이저 마킹 시스템의 구성에 있어서 자동 초점유지 장치, 마킹 전에 대상물의 영상 위에 마킹 내용을 중첩시켜 마킹 후의 형상을 확인하는 장치, 왜곡이 적은 영상을 레이저빔의 경로에서 벗어난 위치에서 취득하는 왜곡 보정형 영상 카메라 장치 등, 다양한 변형이 가능한 원리들을 제시한다.

본 발명은 레이저 마킹 시스템을 구성하는데 있어서, 레이저빔의 광경로에서 벗어난 위치, 또는 레이저빔의 경로에 아무런 지장을 초래하지 않는 위치에 본 발명에서 발명한 영상 카메라 장치들을 설치함으로써 레이저빔 전송경로에는 아무런 간섭을 일으키지 않는 레이저 마킹 시스템을 구성할 수 있다. 이 경우, 마킹을 위한 레이저 광학계의 구성이 자유롭기 때문에 이로 인한 정밀한 마킹 품질 구현이 가능하다.

또한 마킹 대상물을 측면에서 보았을 때 발생하는 것과 비슷한 영상의 왜곡, 또는 영상에서의 원근감은 왜곡이 적은 영상의 취득이 가능한 본 발명에서의 카메라장치를 통해 대상물의 실시간 관찰과, 마킹을 실시하기 전에 마킹하고자 의도하는 문자나 형상을 마킹 대상물의 영상에 중첩시켜 마킹 후의 결과를 예측할 수 있으며, 특히 다양한 형상의 제품 마킹 공정에서 효과적인 마킹을 구현할 수 있다.

그리고 거리센서를 이용하여 마킹 대상물까지의 자동 초점을 유지하는 원리와 레이저 다이오드를 이용하여 자동 초점을 유지하는 원리 및 장치를 개발함으로써 수작업으로 초점을 조절해야 하는 일반 마킹 시스템에 비해 현격히 개선된 생산속도 구현이 가능하다.

한편, 본 발명은 도면에 나타낸 설명 외에도 다양한 변형이 가능하므로 본 발명의 기술적 보호범위는 명기된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 작업대의 높이 조절을 위한 노핑 조절 수단을 구비하고 있으며, 레이저에서 발생된 레이저빔을 스캐너를 통하여 마킹 대상물의 표면에 마킹하는 레이저 마킹 시스템에 있어서,

   레이저빔의 전송경로에 어떠한 광학적인 간섭이 없이 왜곡이 적은 상태의 마킹 대상물 형상 데이터를 실시간으로 취득하는 장치는 영상 카메라와, 상기 영상 카메라의 센서에 마킹 대상물의 영상을 결상시키는 이미지 렌즈로 구성되고,

   상기 영상 카메라의 설치 방향은 마킹 대상물 표면의 수직방향과 평행하게 설치되데 상기 영상 카메라의 중심이 상기 이미지 렌즈의 광축으로부터 특정거리만큼 떨어진 곳에 위치되게 설치하여 마킹 대상물을 측면에서 바라볼 때 발생되는 왜곡 또는 영상에서의 원근감 발생이 최소가 되도록 구성하며,

   상기 영상 카메라로부터 취득한 영상정보는 마킹 프로그램 편집화면의 바탕 영상으로 처리되어 실시간 동영상 관찰이 가능하게 하되 취득된 마킹 대상물의 영상정보 위에 마킹할 문자나 영상정보를 겹쳐 보이게 하여 마킹 전에 미리 마킹 후의 제품상태를 확인할 수 있게 하는 레이저 마킹 프로그램을 더 구비하고 있으며,

   상기 스캐너의 일측에는 마킹 대상물 표면 위에 자동으로 레이저빔의 초점이 형성되게 하여 촛점의 위치에 따라 상기 높이조절장치를 구동시켜 작업대의 높이를 조절함으로서 촛점을 조절할 수 있게 하는 초점 형성 장치를 더 설치하여 구성되며,

   상기 초점 형성 장치는 대상물 표면에 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 조사되고 대상물로부터 반사되는 빛을 감지하는 광감지센서로 구성하거나 대상물 표면에 가시광선 대역의 레이저빔을 조사하여 상기 양상 카메라의 중심 좌표와 상기 레이저빔이 일치되게 하는 레이저 다이오드로 구성되며,

   상기 영상 카메라와 촛점 형성 장치는 스캐너의 두 X-Y 스캐닝 미러 사이의 공간에 구성됨을 특징으로 하는 자동초점 실물영상 레이저 마킹장치.

   임을 특징으로 하는 자동초점 실물영상 레이저 마킹장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images