KR101018798B1 - 물체 검출용 광학장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물체 검출용 광학장치에 관한 것으로서, 발광 제어용 온 신호와 발광 제어용 오프 신호를 각각 번갈아 반복적으로 제공하며, 상기 발광 제어용 온 신호가 제공되는 중에 홀드 온 신호를 발생하고, 상기 발광 제어용 오프 신호가 제공되는 중에 홀드 오프 신호를 발생하는 제어부; 상기 발광 제어용 온 신호에 따라 점등되고 상기 발광 제어용 오프 신호에 따라 소등되게 구비되어, 반복적으로 광을 점멸하는 발광원; 상기 발광원의 광을 직접 수광하거나 검출 대상 물체에 반사된 형태로 수광할 수 있게 설치되며, 수신된 광을 전기신호로 변환하는 수광부; 상기 홀드 온ㆍ오프 신호에 따라 상기 전기신호를 각각 샘플링하는 제1ㆍ제2샘플러; 및 상기 수광부로 입사되는 외부광의 영향을 제거한 상기 발광원의 광만이 확인될 수 있도록, 상기 제1ㆍ제2샘플러의 샘플링신호를 서로 감산한 감산신호를 출력하는 감산기;를 포함하되, 상기 제어부는, 외부광의 영향이 제거된 상기 감산신호를 통해 검출 대상 물체를 검출하도록 구비된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 발광원을 점멸하고, 발광원의 점등 때와 소등 때의 수광부의 전기신호를 감산하는 연산 처리를 통해 해당 전기신호에서 외부광에 따른 영향을 제거하여, 검출 대상 물체를 정확하게 검출하도록 할 수 있음에 따라 그 동작 신뢰성이 크게 향상될 수 있다.

Description

물체 검출용 광학장치 {Optical apparatus for detecting object}

본 발명은 물체 검출용 광학장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광원의 광이 아닌 외부광으로 인해 물체 검출 오류 등이 발생하는 것을 차단하여, 물체 검출 정확도 및 동작 신뢰성을 제고할 수 있는 물체 검출용 광학장치에 관한 것이다.

일반적으로 발광원과 수광부를 포함하여, 물체의 근접, 통과, 위치를 검출하는 광학장치는 여러 산업분야에 적용된다.

예로, 이와 같은 광학장치는, 주차관리에서 차량위치 검출, 주차 게이트 접근 및 통과 검출에 사용된다. 또한, 자동화 생산라인에서 제품의 위치 검출 및 로봇 손의 위치 검출에 사용된다. 한편, 이와 같은 광학장치를 포토 인터럽터(Photo Interrupter)라고도 한다.

이와 관련하여 도 1은 일반적인 투과형 물체 검출용 광학장치를 나타낸 도면으로, 발광원의 광이 수광부에 직접 수광된다.

이와 같은 투과형 물체 검출용 광학장치는 물체가 마주보고 있는 발광원과 수광부 사이를 지나게 될 때 발광원의 빛이 차단되면서 수광부에 수광되는 광이 없거나 적어지는 것을 이용한다.

예로, 도 1의 좌측과 같이 물체가 발광원과 수광부 사이에 없을 때에는 발광원의 광이 수광부에 전달되는 한편, 우측과 같이 물체가 발광원과 수광부 사이에 있을 때에는 물체가 발광원의 광원을 막고 있기 때문에 발광원의 광이 수광부에 전달되지 않는다.

도 2는 일반적인 반사형 물체 검출용 광학장치를 나타낸 도면으로, 발광원의 광이 물체에 반사되어 수광부에 수광된다.

이와 같은 반사형 물체 검출용 광학장치는 물체가 없거나 멀리 있을 때에는 발광원이 발하는 광이 수광부에 수광되지 않거나 조금 수광되고, 물체가 근접했을 때에는 발광원이 발하는 광이 수광부에 많이 수광되는 특성을 이용한다.

예로, 좌측과 같이 물체가 물체 검출용 광학장치로부터 멀리 있을 때에는 발광원의 빛이 수광부로 거의 돌아오지 않는 한편, 우측과 같이 물체가 광센서의 앞부분에 근접할 때에는 발광원의 빛이 물체에 많이 반사되어 수광부에 많이 전달된다.

그러나 이와 같은 도 1 및 도 2와 같은 종래의 기술에 있어서는 물체 검출용 광학장치가 사용되는 환경에 따라 수광부에 수광되는 광이 발광원에 의한 것뿐만 아니라 외부 조명이나 햇빛 등의 외부광을 포함하므로, 이러한 외부광의 영향으로 오동작 또는 불동작을 일으키는 결점이 있다.

도 3은 도 1 및 도 2와 같은 광센서의 외부광에 의한 간섭을 나타낸 도면으로, 왼쪽은 투과형 물체 검출용 광학장치의 외부광에 의한 간섭을 나타내고, 오른쪽은 반사형 물체 검출용 광학장치의 외부광에 의한 간섭을 나타낸다.

도 3에 있어서, 좌측의 투과형 물체 검출용 광학장치의 경우 수광부는 물체가 발광원과 수광부 사이에 있는데도 불구하고 외부 조명이나 태양광선 등에 의하여 없는 것으로 인식할 수 있다. 또한, 우측의 반사형 물체 검출용 광학장치의 경우 수광부는 물체가 접근하지도 않았는데도 불구하고 외부 조명이나 태양광선 등에 의하여 접근한 것으로 인식할 수 있다.

즉, 종래의 물체 검출용 광학장치는, 물체의 근접, 통과, 위치를 검출하기 위하여 수광부를 사용하는데 있어서 외부 광원에 의해 그 검출이 오동작 또는 불동작되는 결점이 있다.

도 4는 도 3과 같은 경우를 보완하기 위해 필터를 이용하여 간섭 보완을 나타낸 도면으로, 발광원의 고유파장만을 투과하는 필터를 수광부 앞에 설치하여 해당 고유파장 이외의 파장을 갖는 외부광이 필터를 투과하지 못하도록 한다.

이와 같은 도 4에 있어서, 외부광의 파장대가 다양하기 때문에 외부광의 파장대가 발광원에서 방출되는 광의 파장대가 아닌 경우에는 효과가 큰 반면, 외부광의 파장대가 발광원에서 방출되는 광의 파장과 유사할 경우에는 효과가 거의 없는 한계가 있다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 수광부로 수광되는 광에서 외부광의 영향을 제거한 발광원에 의한 광만을 확인하여 검출 대상 물체의 근접, 통과, 위치를 정확하게 검출할 수 있는 물체 검출용 광학장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물체 검출용 광학장치는, 발광 제어용 온 신호와 발광 제어용 오프 신호를 각각 번갈아 반복적으로 제공하며, 상기 발광 제어용 온 신호가 제공되는 중에 홀드 온 신호를 발생하고, 상기 발광 제어용 오프 신호가 제공되는 중에 홀드 오프 신호를 발생하는 제어부; 상기 발광 제어용 온 신호에 따라 점등되고 상기 발광 제어용 오프 신호에 따라 소등되게 구비되어, 반복적으로 광을 점멸하는 발광원; 상기 발광원의 광을 직접 수광하거나 검출 대상 물체에 반사된 형태로 수광할 수 있게 설치되며, 수신된 광을 전기신호로 변환하는 수광부; 상기 홀드 온ㆍ오프 신호에 따라 상기 전기신호를 각각 샘플링하는 제1ㆍ제2샘플러; 및 상기 수광부로 입사되는 외부광의 영향을 제거한 상기 발광원의 광만이 확인될 수 있도록, 상기 제1ㆍ제2샘플러의 샘플링신호를 서로 감산한 감산신호를 출력하는 감산기;를 포함하되, 상기 제어부는, 외부광의 영향이 제거된 상기 감산신호를 통해 검출 대상 물체를 검출하도록 구비된다.

상기 물체 검출용 광학장치는, 상기 제1ㆍ제2샘플러의 샘플링신호에서 상기 홀드 온ㆍ오프 신호에 따른 고주파 잡음을 각각 제거하는 제1ㆍ제2저역통과필터;를 더 포함할 수 있다.
상기 물체 검출용 광학장치는, 상기 감산신호에 포함된 잡음을 히스테리시스 정궤환법을 이용하여 제거하는 슈미트 트리거;를 더 포함할 수 있다.

본 발명은, 발광원을 점멸하고, 발광원의 점등 때와 소등 때의 수광부의 전기신호를 감산하는 연산 처리를 수행하는 감산기가 구비되어, 수광부의 해당 전기신호에서 외부광에 따른 영향을 제거함으로써, 외부광에 따른 검출 오류가 없이 검출 대상 물체의 근접, 통과, 위치를 정확하게 검출할 수 있고, 이에 따라 장치의 동작 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 발광원의 점등 때와 소등 때의 수광부의 전기신호를 얻기 위해 제어부가 발생하는 홀드 온ㆍ오프 신호에 의한 잡음을 포함한 고주파 잡음을 해당 전기신호로부터 제거하는 제1ㆍ제2저역통과필터 및 감산기가 출력하는 감산신호의 잡음을 제거하는 슈미트 트리거가 구비됨으로써, 검출 대상 물체의 근접, 통과, 위치를 더욱 정확하게 검출할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 물체 검출용 광학장치는, 제어부(10), 발광원(12), 수광부(14), 증폭부(16), 제1ㆍ제2샘플러(18, 22), 제1ㆍ제2저역통과필터(20, 24), 감산기(26), 및 슈미트 트리거(28)를 포함하여 이루어진다. 이러한 제1실시예의 물체 검출용 광학장치는 투과형으로서, 발광원(12)의 광이 수광부(14)에 직접 조사되게 구비되어, 발광원(12)과 수광부(14)의 사이를 검출 대상 물체가 통과하게 되면, 해당 물체에 의해 발광원(12)의 광이 차단되어 수광부(14)에서는 광이 검출되지 않거나 약하게 검출되는 것을 이용한다.

도 6은 도 5에 도시된 물체 검출용 광학장치의 각 부의 신호를 각기 나타낸 도면이다. 즉, ⓐ는 수광부(14)가 수신한 광을 변환한 전기신호를 증폭부(16)가 증폭시킨 신호를 나타내며, ⓑ와 ⓒ는 ⓐ의 전기신호를 제어부(10)의 홀드 온ㆍ오프 신호에 따라 제1ㆍ제2샘플러(18, 22)가 각각 샘플링한 샘플링신호를 나타내고, ⓓ와 ⓔ는 제1ㆍ제2저역통과필터(20, 24)가 ⓑ와 ⓒ의 샘플링신호에서 홀드 온ㆍ오프 신호에 따른 고주파 잡음을 각각 제거한 신호를 나타내며, ⓕ는 ⓓ와 ⓔ의 샘플링신호를 감산기(26)가 감산하여 외부광의 영향을 제거한 감산신호를 나태내고, ⓖ는 슈미트 트리거(28)가 ⓕ의 감산신호에 포함된 잡음을 슈미트 트리거(28)가 히스테리시스 정궤환법을 이용하여 제거한 후의 신호를 나타낸다.
또한, 도 5에 있어서, ON/OFF는 발광 제어용 온ㆍ오프 신호를 의미하며, SH_ON, SH_OFF는 홀드 온 신호 및 홀드 오프 신호를 의미한다.

상기 제어부(10)는 도 5에 도시된 바와 같이, 발광원(12)에 발광 제어용 온ㆍ오프 신호를 제공하고, 제1ㆍ제2샘플러(18, 22)에게 샘플링 시점을 의미하는 홀드 온ㆍ오프 신호를 각각 제공한다. 이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 홀드 온 신호는 발광 제어용 온 신호가 발광원(12)에 제공되는 중에 제1샘플러(18)에게 제공되고, 상기 홀드 오프 신호는 발광 제어용 오프 신호가 발광원(12)에 제공되는 중에 제2샘플러(22)에게 제공된다.

상기 발광원(12)은 제어부(10)로부터 제공되는 발광 제어용 온ㆍ오프 신호에 대응하여 발광한다. 즉, 발광원(12)은 발광 제어용 온 신호를 수신하는 동안 점등되고, 발광 제어용 오프 신호를 수신하는 동안 소등되는 점멸 동작을 반복적으로 수행한다.

상기 수광부(14)는 발광원(12)의 광을 직접 수광할 수 있게 설치되며, 수신된 광을 전기신호로 변환하여 증폭부(16)에 제공한다. 여기서 검출 대상 물체가 발광원(12)과 수광부(14) 사이에 있게 되면 수광부(14)는 발광원(12)의 광을 거의 수광할 수 없고, 발광원(12)과 수광부(14) 사이에 검출 대상 물체가 없을 경우에는 발광원(12)의 광을 직접 수광하게 된다.

상기 증폭부(16)는 수광부(14)로부터 제공되는 전기신호를 증폭하여 도 6의 ⓐ와 같이 출력한다.

상기 제1샘플러(18)는 제어부(10)로부터 제공되는 홀드 온 신호에 따라 증폭부(16)에서 출력되는 전기신호를 도 6의 ⓑ와 같이 샘플링한다. 이러한 샘플링을 통해 제1샘플러(18)가 출력하는 샘플링신호는 도 6의 ⓑ와 같이 그 샘플링값이 변화하지 않는 이상 홀드 온 신호가 단절된 중에도 앞선 홀드 온 신호에 의한 샘플링 시의 샘플링값을 유지하는 것으로 나타낸다.
이처럼 제1샘플러(18)는 발광 제어용 온 신호에 의해 발광원(12)이 점등된 상태에서 제공된 홀드 온 신호에 따라 증폭부(16)에 의해 증폭된 수광부(14)의 전기신호를 샘플링하게 되므로, 외부광을 포함하여 발광원(12)이 점등된 상태에서 수광부(14)가 수신하는 광을 샘플링하는 역할을 수행하는 것이다.
상기 제2샘플러(22)는 제어부(10)로부터 제공되는 홀드 오프 신호에 따라 증폭부(16)에서 출력되는 전기신호를 도 6의 ⓒ와 같이 샘플링한다. 이러한 샘플링을 통해 제2샘플러(22)가 출력하는 샘플링신호는 도 6의 ⓒ와 같이 그 샘플링값이 변화하지 않는 이상 홀드 온 신호가 단절된 중에도 앞선 홀드 온 신호에 의한 샘플링 시의 샘플링값을 유지하는 것으로 나타낸다.
이처럼 제2샘플러(22)는 발광 제어용 오프 신호에 의해 발광원(12)이 소등된 상태에서 제공된 홀드 오프 신호에 따라 증폭부(16)에 의해 증폭된 수광부(14)의 전기신호를 샘플링하게 되므로, 외부광을 포함하여 발광원(12)이 소등된 상태에서 수광부(14)가 수신하는 광을 샘플링하는 역할을 수행하는 것이다.

상기 제1ㆍ제2저역통과필터(20, 24)는 제1ㆍ제2샘플러(18, 22)의 샘플링신호를 각각 저역의 파장대만 통과시키는 필터링 작업을 통해, 홀드 온ㆍ오프 신호의 스위칭 등을 포함하는 불필요한 고주파 잡음 성분을 각각 제거하여 도 6의 ⓓ와 ⓔ의 샘플링신호로 각각 출력한다.

상기 감산기(26)는 제1ㆍ제2저역통과필터(20, 24)로부터 제공되는 도 6의 ⓓ와 ⓔ의 샘플링신호를 서로 감산하여, 두 샘플링신호의 차 신호인 도 6의 ⓕ의 감산신호를 출력한다. 이러한 감산기(26)의 감산 연산을 통해 ⓓ와 ⓔ의 샘플링신호에 공통적으로 포함되어 있던 외부광에 의한 신호가 상쇄되고, ⓕ와 같이 수광부(14)가 발광원(12)으로부터 수신한 광에 대한 신호만 남게 된다.
그 이유는, ⓓ와 ⓔ의 샘플링신호의 샘플링 시의 수광부(14) 환경을 살펴보면, 발광 제어용 온ㆍ오프 신호에 의해 발광원(12)이 점등된 상태인지 소등된 상태인지만 차이가 있을 뿐, 수광부(14)에 조사되는 외부광은 동일하여 ⓓ와 ⓔ의 샘플링신호에 이 외부광에 의한 신호가 모두 포함되어 있기 때문이다.

상기 슈미트 트리거(28)는 감산기(26)로부터 제공받은 감산신호로부터 히스테리시스 정궤환법을 통해 잡음을 제거함으로써, 잡음이 제거된 감산신호인 도 6의 ⓖ의 신호를 출력한다. 이렇게 슈미트 트리거(28)에 의해 잡음이 제거된 감산신호는 이진화된 신호 형태가 갖게 된다.
이와 같은 과정을 통해 출력되는 ⓖ의 감산신호는 상기 제어부(10) 또는 별도의 제어기에 전달되고, 제어부(10) 또는 별도의 제어기는 이 감산신호를 확인함으로써 검출 대상 물체가 발광원(12)과 수광부(14)의 사이에 존재하는지 여부 등을 검출한다.
즉, 본 발명의 제1실시예의 경우, 상기 제어부(10)는 감산신호의 신호값이 높게 확인되는 경우는 발광원(12)과 수광부(14)의 사이에 물체가 존재하지 않는 것으로 판단하며, 감산신호의 신호값이 낮게 확인되는 경우는 발광원(12)과 수광부(14)의 사이에 물체가 존재하는 것으로 판단한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 물체 검출용 광학장치는, 전기적인 신호를 증폭하는 증폭부(16) 및 전기적인 신호로부터 잡음을 제거하는 제1ㆍ제2저역통과필터(20, 24) 및 슈미트 트리거(28)를 포함하는 것으로 설명하였으나, 이러한 증폭부(16), 제1ㆍ제2저역통과필터(20, 24) 및 슈미트 트리거(28)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, '당업자'라 한다)에게 자명한 것으로서, 전기적인 신호의 세기나 해당 전기적인 신호에 잡음이 어느 정도 포함되어 있는지 여부 등을 고려하여 선택적으로 구비할 수 있다는 사실 또한 당업자에게 자명하다 할 것이다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 물체 검출용 광학장치를 나타낸 블록도로서, 본 발명의 제2실시예에 따른 물체 검출용 광학장치는, 전술된 제1실시예에 따른 물체 검출용 광학장치와 그 구성요소가 매우 유사하다. 단지, 본 발명의 제1실시예의 경우, 수광부(14)가 발광원(12)의 광을 직접 수광할 수 있게 설치되어 검출 대상 물체에 의한 광 간섭으로 수광부(14)가 발광원(12)의 광을 수신하지 못하는 것을 확인하여 검출 대상 물체를 확인하는 투과형이었다면, 본 발명의 제2실시예의 경우, 수광부(14)가 발광원(12)의 광을 검출 대상 물체를 통해 반사된 형태로 수광할 수 있게 설치되어 수광부(14)가 해당 반사광을 수신하는 것을 확인하여 검출 대상 물체를 확인하는 반사형이라는 차이가 있다.

따라서 본 발명의 제1실시예에 있어서, 물체가 발광원(12)과 수광부(14)의 사이를 통과할 때에 도 6의 ⓖ에 도시된 감산신호의 값이 현저히 낮아져 물체 투과 상태임을 확인할 수 있는 것과 상반되게, 본 발명의 제2실시예의 경우에는 물체가 발광원(52)과 수광부(54)에 근접될 때 물체에 의한 반사광이 증가하면서 도 8의 ⓖ에 도시된 감산신호의 값이 현저히 증가하여 물체 근접 상태임을 확인할 수 있다.

삭제

이 외에 본 발명의 제2실시예에 따른 물체 검출용 광학장치의 구성요소들에 대한 역할 및 동작은, 제1실시예에 따른 물체 검출용 광학장치의 구성요소에 대한 그것과 대동소이하므로, 각 구성요소의 도면 부호의 명칭을 동일하게 사용하여 도 7에 도시하였으며, 이에 대한 자세한 설명은 제1실시예에 대한 설명을 참조하고 생략하기로 한다.

이와 같은 두 가지 실시 예에 따른 본 발명은 지폐인식, 동전인식, 지폐불출, 및 티켓카운터회수함 등에 적용할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 일반적인 투과형 물체 검출용 광학장치를 나타낸 도면,

도 2는 일반적인 반사형 물체 검출용 광학장치를 나타낸 도면,

도 3은 도 1 및 도 2와 같은 물체 검출용 광학장치의 외부광에 의한 간섭을 나타낸 도면,

도 4는 도 3의 경우를 보완하기 위해 필터를 이용하여 외부광에 의한 간섭을 제거하는 간섭 보완을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 물체 검출용 광학장치를 나타낸 블록도,

도 6은 도 5에 도시된 물체 검출용 광학장치의 각 부의 신호 변화를 각각 나타낸 도면,

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 물체 검출용 광학장치를 나타낸 블록도,

도 8은 도 7에 도시된 물체 검출용 광학장치의 각 부의 신호 변화를 각각 나타낸 도면이다.
＊ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＊
10, 50 : 제어부 12, 52 : 발광원
14, 54 : 수광부 16, 56 : 증폭부
18, 58 : 제1샘플러 20, 60 : 제1저역통과필터
22, 62 : 제2샘플러 24, 64 : 제2저역통과필터
26, 66 : 감산기 28, 68 : 슈미트 트리거

Claims (3)

1. 발광 제어용 온 신호와 발광 제어용 오프 신호를 각각 번갈아 반복적으로 제공하며, 상기 발광 제어용 온 신호가 제공되는 중에 홀드 온 신호를 발생하고, 상기 발광 제어용 오프 신호가 제공되는 중에 홀드 오프 신호를 발생하는 제어부;

   상기 발광 제어용 온 신호에 따라 점등되고 상기 발광 제어용 오프 신호에 따라 소등되게 구비되어, 반복적으로 광을 점멸하는 발광원;

   상기 발광원의 광을 직접 수광하거나 검출 대상 물체에 반사된 형태로 수광할 수 있게 설치되며, 수신된 광을 전기신호로 변환하는 수광부;

   상기 홀드 온ㆍ오프 신호에 따라 상기 전기신호를 각각 샘플링하는 제1ㆍ제2샘플러; 및

   상기 수광부로 입사되는 외부광의 영향을 제거한 상기 발광원의 광만이 확인될 수 있도록, 상기 제1ㆍ제2샘플러의 샘플링신호를 서로 감산한 감산신호를 출력하는 감산기;를 포함하되,

   상기 제어부는, 외부광의 영향이 제거된 상기 감산신호를 통해 검출 대상 물체를 검출하는 것을 특징으로 하는 물체 검출용 광학장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1ㆍ제2샘플러의 샘플링신호에서 상기 홀드 온ㆍ오프 신호에 따른 고주파 잡음을 각각 제거하는 제1ㆍ제2저역통과필터;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검출용 광학장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 감산신호에 포함된 잡음을 히스테리시스 정궤환법을 이용하여 제거하는 슈미트 트리거;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검출용 광학장치.

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