KR100786397B1 - 레이저 빔을 이용한 면적 센서 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 빔을 이용한 면적 센서시스템으로서, 특히, 레이저 빔을 발생시키는 광원과 상기 광원에서 조사되는 레이저 빔을 수직하게 반사시키는 반사부와 상기 반사부에서 반사되는 레이저 빔을 평면 빔으로 변환시키는 복수 개의 렌즈로 이루어지는 렌즈부를 포함하여 이루어지는 조사장치와, 상기 조사장치의 렌즈부에서 조사되는 평면 빔을 분할하여 집속시키는 복수 개의 집속 렌즈와 상기 각 집속 렌즈의 후면에 위치하여 상기 집속 렌즈에 의해 집속되는 레이저 빔을 검출하는 센스부를 포함하여 이루어지는 수광장치와, 상기 수광장치의 각 센서부를 통해 검출되는 레이저 빔의 정보를 분석하는 분석장치를 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 단일 광원을 적절한 반사부 및 렌즈부 구성을 통하여 연속하는 평면 빔으로 변환시켜 면적센서로 활용함으로써, 레이저 빔 고유의 정밀도 범위 내에서 물체의 크기 또는 표면 상태 등을 정밀하게 측정할 수 있을 뿐 아니라 물체의 이동 위치 등도 정밀하게 측정할 수 있다는 이점이 있다.

레이저 빔, 반사판, 반투명 반사판, 렌즈, 면적 센서, 평면 빔

Description

레이저 빔을 이용한 면적 센서 시스템{Area sensing system using by laser}

도 1은 본 발명에 따른 레이저 빔을 이용한 면적센스 시스템의 개략적인 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 레이저 빔을 이용한 면적센서 시스템의 일 사용도.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 빔을 이용한 면적센서 시스템의 다른 사용도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 조사장치 120 : 반사판

130 : 반투명 반사판 160 : 제1렌즈

170 : 제2렌즈 20 : 수광장치

210 : 집속렌즈 220 : 센서부

310 : 분석장치 320 : 증폭부

330 : 디스플레이부

일본 공개특허 제2002-116003호

본 발명은 레이저 빔을 이용한 면적센스 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단일의 레이저 빔을 반사판 및 렌즈 장치를 이용하여 일정한 면적을 가지는 평면 빔으로 변환시킴으로써, 간단한 구성으로 레이저 빔이 지니는 정밀성의 범위 내에서 물체의 크기 및 물체의 이동 위치 등을 정밀하게 검출할 수 있는 면적센서 시스템에 관한 것이다.

기술이 첨단화되어 가면서 제품 자체의 크기 또는 제품의 표면상태 등과 같은 물리량을 정확하게 측정할 수 있는 기술이 널리 보급되고 있는데, 그 중에서 매우 작거나 또는 얇은 제품에 대해서도 높은 정밀도로 물리량을 적절하게 측정할 수 있을 뿐 아니라 그 구성이 간단하여 산업계 전반에서 사용이 급증되고 있는 것이 레이저를 이용한 센서시스템이다.

레이저를 이용하는 센서시스템은, 레이저 빔이 가지는 뛰어난 분해능으로 인해 그 측정의 정밀도가 매우 높다는 장점은 있으나, 집속된 상태로 진행하는 레이저 빔의 속성상 단일의 레이저 빔을 이용하는 한 일정한 크기 이하의 물체에 대해서만 그 적용이 가능하다는 점에서 문제가 있다. 이러한 문제는 다수의 레이저 빔 장치를 장착하면 어느 정도 해결이 가능하나, 이렇게 장치를 구성하는 경우 장치 자체의 가격이 급격하게 상승 될 수 있기 때문에, 이러한 단점을 개선하기 위하여 제안된 방식 중의 하나가 일본 공개특허 제2002-116003호이다.

이 기술은 기본적으로 두 개의 레이저 빔을 교차 사용하는 방식을 상정하고 있으나, 각 레이저 빔 장치들은 정다각형의 반사판을 일정 속도로 회전시키면서 조사되는 레이저 빔을 반사시킬 수 있는 것을 기술적 특징으로 삼고 있다. 즉, 단일 의 레이저 빔을 반사판으로 조사시키되, 반사판을 일정 속도로 회전시킴에 따라 반사판에 조사되는 레이저 빔이 일정한 각도 범위로 분산 반사되도록 구성하고 있는 것이다.

이 기술은 제한된 집속폭을 가지는 단일 레이저 빔의 한계를 일정 범위 내에서 어느 정도 극복할 수 있을 것으로 기대되나, 반사판을 통해 조사되는 레이저 빔이 일정 각도 범위 내에서 연속적으로 형성되는 것이 아니라 불연속적으로 형성된다는 점에서 문제가 있다. 더욱이, 반사판이 일정 각도로 이루어지는 다각형으로 구성되는 한 레이저 빔이 분산되어 형성될 수 있는 각도는 반사판이 어떤 다각형으로 이루어지는가에 의존하게 되는데, 반사판의 다각형상은 레이저 빔의 불연속 범위와 관련되어 있기 때문에 이를 의도하는 대로 변화시킬 수 없다는 근원적인 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 단일의 레이저 빔을 일정한 면적으로 이루어지는 평면 빔으로 변환시켜 레이저 빔이 지니는 고유의 정밀성을 기초로 물체의 크기 또는 표면상태 등과 같은 물리량을 측정하거나 또는 물체의 이동 위치 등을 정밀하게 측정할 수 있는 센서시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 레이저 빔을 발생시키는 광원과 상기 광원과 동일 축상에서 일정거리 떨어져 위치하여 상기 광원에서 조사되는 레이저 빔을 수직하게 반사시키는 반사판과 상기 광원 및 반사판 사이에 위치하여 상기 광원에서 조사되는 레이저 빔의 일부는 투과시키고 일부는 수직하게 반사시키는 복수 개의 반투명 반사판으로 이루어지는 반사부와 상기 반투명 반사판 및 반사판 각각에서 반사되는 레이저 빔을 평면 빔으로 변환시키는 복수 개의 렌즈로 이루어지는 렌즈부를 포함하여 이루어지는 조사장치와, 상기 조사장치의 렌즈부에서 조사되는 평면 빔을 분할하여 집속시키는 복수 개의 집속 렌즈와 상기 각 집속 렌즈의 후면에 위치하여 상기 집속 렌즈에 의해 집속되는 레이저 빔을 검출하는 센스부를 포함하여 이루어지는 수광장치와, 상기 수광장치의 각 센서부를 통해 검출되는 레이저 빔의 정보를 분석하는 분석장치를 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 특징으로 한다.

상기 조사장치의 렌즈부는, 상기 반사부에서 반사되는 레이저 빔을 일정 각도로 분산되는 연속 빔으로 변환시키는 복수 개의 제1렌즈와, 상기 제1렌즈를 통해 전달되는 연속 빔이 일정한 폭으로 이루어지는 수평 광로를 가지도록 유도하는 복수 개의 제2렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 면적 센서시스템에는, 상기 각 센서부에서 검출되는 레이저 빔의 신호를 증폭하기 위한 증폭부가 더욱 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 면적 센서시스템에는, 상기 센서부에서 검출되는 레이저 빔 신호를 표시하거나 또는 상기 분석장치에서 분석되는 정보 내용을 표시하는 디스플레이부가 더욱 구비되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 구성을 상세하게 살펴보면 다음과 같은데, 구성을 상술함에 있어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 자명한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

본 발명은 기본적으로, 레이저 빔을 발생시켜 평면 빔을 형성시키는 조사장치와, 상기 조사장치에서 조사되는 평면 빔을 검출하는 수광장치와, 상기 수광장치에서 검출된 레이저 빔을 분석하는 분석장치를 포함하여 이루어진다.

상기 조사장치는, 단일 광원에서 생성되는 레이저 빔을 일정한 크기의 면적센서 기능을 수행할 수 있도록 가지며 연속적인 평면 빔으로 형성시키기 위한 구성으로서, 레이저 빔을 생성시키는 광원과, 상기 광원에서 생성되어 조사되는 레이저 빔을 반사시키는 반사부와, 상기 반사부에서 반사되는 레이저 빔을 평면 빔으로 변환시키는 렌즈부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 광원은, 레이저 빔을 생성시키는 수단으로서, 그 구성 및 종류는 특별하게 제한되지 않으나 산업계 전반에서 측정용으로 널리 사용되고 있는 반도체 레이저 다이오드를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 반사부는, 광원에서 생성되어 조사되는 레이저 빔을 적절하게 분배하여 수직하게 반사시키기 위한 수단으로서, 광원과 동일한 축상에서 일정거리 떨어져 위치하여 상기 광원에서 조사되는 레이저 빔을 수직하게 반사시키는 반사판과, 상기 광원 및 반사판 사이에서 위치하여 광원에서 조사되는 레이저 빔의 일부는 투과시켜 최종적으로 상기 반사판으로 전달하고 일부는 수직하게 반사시킬 수 있는 반투명 반사판으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 반투명 반사판은, 레이저 빔의 일부가 적절히 투과하여 반사판에 전달 되고, 이에 따라 반사판이 반투명 반사판과 유사하게 레이저 빔을 수직하게 반사시켜 후술할 평면 빔을 형성시킬 수만 있다면 그 반사율(또는 투과율)에 제한이 없다. 한편, 상기 반투명 반사판의 개수는 전체 시스템의 장치에 따라 적절하게 변경될 수 있는 사항인바, 측정 대상 또는 시스템의 구성에 따라 다양한 개수로 이루어질 수 있음은 물론이다.

상기 렌즈부는, 반사부로부터 전달되는 레이저 빔을 평면 빔으로 변환시키기 위한 수단으로서, 반사부에서 반사되는 레이저 빔을 일정 각도로 분산되는 연속 빔을 변환시키는 복수 개의 제1렌즈와, 상기 제1렌즈를 통해 전달되는 연속 빔이 일정한 폭으로 이루어지는 수평 광로를 가지도록 유도하는 복수 개의 제2렌즈로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제1렌즈 반사부를 통해 전달되는 레이저 빔이 일정 각도로 분산되는 연속 빔으로 적절하게 변환시킬 수만 있다면 특별하게 그 종류에 제한이 없으나, 원주 렌즈(cylindrical lens)로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 제2렌즈는 제1렌즈를 통해 전달되는 연속 빔이 일정한 폭으로 이루어지는 수평 광로를 가지도록 적절하게 유도할 수만 있다면 수만 있다면 특별하게 그 종류에 제한이 없기 때문에, 관련 업계에서 널리 사용되고 있는 렌즈 중에서 이러한 용도에 부합되는 것 하나를 임의로 선택하여 사용하더라도 무방하다.

한편, 상기 제1렌즈 및 제2렌즈의 개수는 특별하게 제한이 없으나 그 개수를 결정함에 있어, 어느 정도 크기를 가지는 면적 센서를 구성할 것인지 여부와, 제1렌즈를 어느 정도의 분산 각도를 가지는 렌즈를 사용할지 여부, 그리고 제2렌즈를 이용하여 레이저 빔을 일정한 폭의 평면 빔으로 변환시킬 때 개개 평면 빔 경계면은 일정 범위 내에서 중첩이 되어야 본 발명에 따라 전체 빔이 일정한 크기를 가지는 면적 센서 기능을 담당할 수 있다는 점 등을 폭 넓게 감안해야 할 것이다.

이에 따라 단일 광원에서 조사되는 레이저 빔은, 반사판 및 반투명 반사판으로 이루어지는 반사부에서 적절하게 분배된 다음, 제1렌즈 및 제2렌즈로 이루어지는 렌즈부를 지나면서 비로소 일정한 크기를 가지는 연속하는 평면 빔으로 변환되는데, 이러한 일정한 크기로 이루어지는 평면 빔이 면적센서로서 기능하게 되는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 센서시스템은 레이저 빔 자체가 지니는 극한의 분해능에 근거하여 고유의 정밀 측정을 수행할 수 있을 뿐 아니라, 임의 크기의 연속적인 면적센서를 제공할 수 있다는 기술적 특징이 있다.

상기 수광장치는, 조사장치로부터 조사되는 평면 빔을 검출하기 위한 수단으로서, 평면 빔을 일정하게 집속시키는 복수 개의 집속 렌즈와, 상기 각 집속 렌즈에 의해 집속되는 레이저 빔을 검출하는 센서부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 집속 렌즈는, 조사장치의 렌즈부에 의해 일정한 면적의 평면 빔 형태로 조사되는 레이저 빔을 집속시키기 위한 수단으로서, 특히 상기 렌즈부의 제2렌즈와 일정한 수평거리만큼 떨어진 상태에 위치시키는 것이 바람직하다. 상기 집속 렌즈는 평면 빔을 일정 크기 이내로 집속시킬수 만 있다면 그 종류에 특별히 제한이 없으며, 조사되는 평면 빔 전체를 누락 없이 적절하게 집속할 수는 것 중에서 임의 선택하여 사용하더라도 무방하다.

상기 센서부는 집속 렌즈를 통해 집속되는 레이저 빔을 검출하기 위한 수단으로서, 통상적인 레이저 빔 검출에 사용될 수 있는 센서이면 족하다.

상기 분석장치는, 각 센서부에서 검출되는 레이저 빔의 정보를 분석하는 수단으로서, 기본적으로 각 센서부에서 검출되는 레이저 빔의 조사량을 비교 분석한 다음, 이를 토대로 면적 센서로 기능하는 전체 평면 빔에서 측정 대상(또는 측정 대상들이)이 어떠한 지점을 통과하였는지, 또는 측정 대상의 크기 또는 측정 대상의 표면 상태 등과 같은 물리량이 어느 정도인지를 가늠하게 된다.

이를 위하여, 상기 분석장치에는, 레이저 빔의 기본 조사량에 대한 정보와, 면적센서로 기능하는 전체 평면 빔의 정확한 크기 및 위치 정보와, 전체 평면 빔에서 각 센서부가 담당하는 부분에 대한 크기 및 위치 정보 등과 같은 기초 정보를 저장하고 있는 메모리와, 센서부에서 검출되는 레이저 빔의 정보를 분석하는 분석 프로그램과, 장치를 전반적으로 제어하는 컨트롤러 등이 구비되는 것이 바람직하다. 다만, 레이저 빔을 이용하는 센서 시스템에 있어서의 분석장치와 관련된 기술은 당업계에서 널리 알려진 기술사항인바 이에 대한 상세한 설명하기로 한다.

한편, 본 발명은 상기 센서부에서 검출되는 레이저 빔의 신호를 증폭시키기 위한 수단으로서 증폭부가 구비되는 경우나, 또는 분석장치에서 비교 분석된 정보 또는 센서부에서 검출되는 레이저 빔 정보 등을 표시하기 위한 수단으로서 디스플레이부가 구비되는 경우를 배제하지 않음은 물론이다.

이러한 구성으로 이루어지는 본 발명의 일 실시예 및 그 적용 예를 첨부된 도면을 참조하여 간단하게 살펴보기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 면적센서 시스 템의 개략적인 일 구성도를 보여주며, 도 2 및 도 3 각각은 도 1에 개시된 면적센서 시스템을 이용하여 물체의 물리량 또는 위치를 측정하는 일례를 보여준다.

도 1에 개시된 것과 같이, 본 발명에 따른 면적센서 시스템은, 레이저 빔을 생성시켜 조사하는 광원(110)과, 상기 광원(110)에서 조사되는 레이저 빔을 반사시키는 반사판(120) 및 반투명 반사판(130)과, 상기 반사판(120) 및 반투명 반사판(130)에서 반사되는 레이저 빔을 평면 빔으로 변환시키는 제1렌즈(160) 및 제2렌즈(170)와, 평면 빔을 분할하여 집속시키는 집속렌즈(210)와, 상기 집속렌즈(210)에서 집속되는 레이저 빔을 검출하는 센서부(220) 및 분석장치(310)를 그 기본 구성으로 하고 있음을 알 수 있다.

이러한 구성에 의하여, 단일 광원(110)에서 생성되어 조사되는 레이저 빔은, 1차로 복수 개의 반투명 반사판(130)을 의하여 적절하게 분배된 상태에서 수직으로 반사되고, 분배된 레이저 빔은 2차로 각 제1렌즈(160)를 거치면서 일정한 각도를 가지는 분산되는 연속 빔으로 변환되고, 연속 빔은 3차로 각 제2렌즈(170)를 거치면서 일정한 폭을 가지는 평면 빔이 됨에 따라, 본 발명이 의도하는 일정한 크기를 가지는 면적센서로 작용하게 된다.

본 발명에 따른 면적 센서시스템을 이용하는 가장 간단한 예는 도 2에 개시된 것과 같이, 물체를 간단히 평면 빔에 위치시키는 것에 그 물체의 크기 또는 표면 상태를 측정하는 것이다. 물체를 평면 빔에 위치시키면, 물체가 레이저 빔의 진행을 방해하게 됨에 따라 센서부(222, 224, 226, 228) 중에서 해당 센서부(224)는 물체의 수직 높이 △l(또는 크기)에 따른 레이저 빔 조사량을 검출하게 되고, 분석 장치(310)는 해당 센서부(224)에서 검출되는 레이저 빔 조사량을 메모리에 저장되어 있는 기준 레이저 빔 조사량과 간단하게 비교하여 그에 따른 결과로서 물체의 정확한 크기를 판단하게 되는 것이다.

한편, 도 2는 일정한 크기를 가지는 물체를 적용시킨 예를 보여주고 있으나, 측정 가능한 물체의 크기는 사용되는 레이저 빔의 파장과 관련되기 때문에 극소의 물체에 대하여도 정밀하게 그 크기를 측정할 수 있음은 물론이며, 극소의 물체 표면 상태 등에 대한 물리량도 정밀하게 측정할 수 있음은 물론이다. 또한, 측정에 있어 대상 물체가 일 방향으로 연속적으로 이동하고 있다 할지라도 정밀한 측정이 방해되지 않음은 자명하다.

본 발명에 따른 면적 센서시스템을 이용하는 다른 예는 도 3에 개시된 것과 같이 물체의 통과 위치를 정확하게 측정하는 것이다. 평면 빔을 물체가 통과하는 지점에 위치시키면, 물체는 임의 지점 A, B, C를 통과할 수 있는데, 물체가 A, B, C 각 지점을 통과할 때에는 평면 빔을 구성하는 센서부(222, 224, 226, 228) 중에서 222, 224, 226의 레이저 빔 조사량을 변화시키게 되고, 이는 분석장치에 의하여 정확하게 분석될 수 있다. 즉, 어떤 시간에 어떠한 크기를 가지는 물체가 어떠한 수직 높이를 통과했는지를 정확하게 판단할 수 있게 되는 것인데, 이러한 예는 본 발명이 면적센서로 기능하는 평면 빔이 연속 빔으로 구성되기 때문에 가능한 것이다.

미설명 도면 부호 320 및 330 각각은 증폭부 및 디스플레이부이다.

본 발명은 상술한 바와 같이, 단일 광원을 적절한 반사부 및 렌즈부 구성을 통하여 연속하는 평면 빔으로 변환시켜 면적센서로 활용함으로써, 레이저 빔 고유의 정밀도 범위 내에서 물체의 크기 또는 표면 상태 등을 정밀하게 측정할 수 있을 뿐 아니라 물체의 이동 위치 등도 정밀하게 측정할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 레이저 빔을 발생시키는 광원과, 상기 광원과 동일 축상에서 일정거리 떨어져 위치하여 상기 광원에서 조사되는 레이저 빔을 수직하게 반사시키는 반사판과 상기 광원 및 반사판 사이에 위치하여 상기 광원에서 조사되는 레이저 빔의 일부는 투과시키고 일부는 수직하게 반사시키는 복수 개의 반투명 반사판으로 이루어지는 반사부와, 상기 반투명 반사판 및 반사판 각각에서 반사되는 레이저 빔을 평면 빔으로 변환시키는 복수 개의 렌즈로 이루어지는 렌즈부를 포함하여 이루어지는 조사장치와;

   상기 조사장치의 렌즈부에서 조사되는 평면 빔을 분할하여 집속시키는 복수 개의 집속 렌즈와, 상기 각 집속 렌즈의 후면에 위치하여 상기 집속 렌즈에 의해 집속되는 레이저 빔을 검출하는 센스부를 포함하여 이루어지는 수광장치와;

   상기 수광장치의 각 센서부를 통해 검출되는 레이저 빔의 정보를 분석하는 분석장치를;

   포함하여 이루어지는 레이저 빔을 이용한 면적 센서시스템.
2. 제1항에 있어서 상기 조사장치의 렌즈부는,

   상기 반사부에서 반사되는 레이저 빔을 일정 각도로 분산되는 연속 빔으로 변환시키는 복수 개의 제1렌즈와, 상기 제1렌즈를 통해 전달되는 연속 빔이 일정한 폭으로 이루어지는 수평 광로를 가지도록 유도하는 복수 개의 제2렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 면적 센서시스템.
3. 제1항에 있어서 상기 면적 센서시스템에는,

   상기 각 센서부에서 검출되는 레이저 빔의 신호를 증폭하기 위한 증폭부가 더욱 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 면적 센서시스템.
4. 제1항에 있어서 상기 면적 센서시스템에는,

   상기 센서부에서 검출되는 레이저 빔 신호를 표시하거나 또는 상기 분석장치에서 분석되는 정보 내용을 표시하는 디스플레이부가 더욱 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔을 이용한 면적 센서시스템.

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